Hipótesis de Prout

La hipótesis de Prout fue un intento de principios del siglo XIX de explicar la existencia de los diversos elementos químicos a través de una hipótesis sobre la estructura interna del átomo . En 1815 ^[1] y 1816, ^[2] el químico inglés William Prout publicó dos artículos en los que observó que los pesos atómicos que se habían medido para los elementos conocidos en ese momento parecían ser múltiplos enteros del peso atómico del hidrógeno . Luego planteó la hipótesis de que el átomo de hidrógeno era el único objeto verdaderamente fundamental, al que llamó protilo , y que los átomos de otros elementos eran en realidad agrupaciones de varios números de átomos de hidrógeno. ^[3]

La hipótesis de Prout influyó en Ernest Rutherford cuando logró "sacar" núcleos de hidrógeno de átomos de nitrógeno con partículas alfa en 1917, y así concluyó que tal vez los núcleos de todos los elementos estaban hechos de tales partículas (el núcleo de hidrógeno), que en 1920 sugirió que se llamaran protones , del sufijo "-on" para partículas, agregado a la raíz de la palabra de Prout "protilo". ^[a] La suposición discutida por Rutherford era de un núcleo que consistía en Z + N = A protones más N electrones de alguna manera atrapados dentro, reduciendo así la carga positiva a +Z como se observó y explicando vagamente la radiactividad de desintegración beta . Se sabía que tal constitución nuclear era inconsistente con la dinámica clásica o cuántica temprana , pero parecía inevitable hasta la hipótesis del neutrón de Rutherford y el descubrimiento del físico inglés James Chadwick .

La discrepancia entre la hipótesis de Prout y la variación conocida de algunos pesos atómicos hasta valores alejados de los múltiplos enteros del hidrógeno, fue explicada entre 1913 y 1932 por el descubrimiento de los isótopos y del neutrón . Según la regla de los números enteros de Francis Aston , la hipótesis de Prout es correcta para masas atómicas de isótopos individuales, con un error de como máximo el 1%.

La hipótesis de Prout siguió siendo influyente en la química durante la década de 1820. Sin embargo, mediciones más cuidadosas de los pesos atómicos, como las compiladas por Jacob Berzelius en 1828 o Edward Turner en 1832, refutaron la hipótesis. ^{[4] : 682–683} En particular, el peso atómico del cloro , que es 35,45 veces el del hidrógeno , no podía explicarse en ese momento en términos de la hipótesis de Prout. Algunos llegaron a la afirmación ad hoc de que la unidad básica era la mitad de un átomo de hidrógeno, pero surgieron más discrepancias. Esto dio lugar a la hipótesis de que un cuarto de un átomo de hidrógeno era la unidad común. Aunque resultaron ser erróneas, estas conjeturas catalizaron una mayor medición de los pesos atómicos.

En 1919 se sospechó que la discrepancia en los pesos atómicos era el resultado de la aparición natural de múltiples isótopos del mismo elemento. FW Aston descubrió múltiples isótopos estables para numerosos elementos utilizando un espectrógrafo de masas . En 1919, Aston estudió el neón con suficiente resolución para demostrar que las dos masas isotópicas están muy cerca de los números enteros 20 y 22, y que ninguna es igual a la masa molar conocida (20,2) del gas neón . ^[5]

En 1925, se descubrió que el problemático cloro estaba compuesto por los isótopos ³⁵ Cl y ³⁷ Cl , en proporciones tales que el peso promedio del cloro natural era aproximadamente 35,45 veces el del hidrógeno. ^[6] Para todos los elementos, se descubrió finalmente que cada isótopo individual de número de masa A tenía una masa muy cercana a A veces la masa de un átomo de hidrógeno, con un error siempre inferior al 1%. Esto es un error casi total de la ley de Prout. Sin embargo, no se encontró que la regla predijera las masas de los isótopos mejor que esto para todos los isótopos, debido principalmente a defectos de masa resultantes de la liberación de energía de enlace en los núcleos atómicos cuando se forman.

Aunque todos los elementos son el producto de la fusión nuclear del hidrógeno en elementos superiores, ahora se entiende que los átomos constan tanto de protones (núcleos de hidrógeno) como de neutrones . La versión moderna de la regla de Prout es que la masa atómica de un isótopo de número de protones (número atómico) Z y número de neutrones N es igual a la suma de las masas de sus protones y neutrones constituyentes, menos la masa de la energía de enlace nuclear, el defecto de masa . Según la regla de los números enteros propuesta por Francis Aston , la masa de un isótopo es aproximadamente, pero no exactamente, su número de masa A ( Z  +  N ) multiplicado por una unidad de masa atómica (u), más o menos la discrepancia de energía de enlace – la unidad de masa atómica es la aproximación moderna para la "masa de un protón, neutrón o átomo de hidrógeno". Por ejemplo, los átomos de hierro-56 (que tienen una de las energías de enlace más altas) pesan solo alrededor del 99,1% de lo que pesan 56 átomos de hidrógeno. El 0,9% de masa que falta representa la energía perdida cuando se formó el núcleo de hierro a partir de hidrógeno dentro de una estrella (ver nucleosíntesis estelar ).

En su novela de 1891 Los hechos de Raffles Haw , Arthur Conan Doyle habla de convertir elementos en otros elementos de número atómico decreciente , hasta llegar a la materia gris.

En su novela de 1959 Vida y destino , el personaje principal de Vasily Grossman , el físico Viktor Shtrum, reflexiona sobre la hipótesis de Prout acerca de que el hidrógeno es el origen de otros elementos (y el hecho feliz de que los datos incorrectos de Prout llevaron a una conclusión esencialmente correcta), mientras se preocupa por su incapacidad para formular su propia tesis.

• Energía de unión

Notas al pie

Citas

• La fórmula semiempírica para las masas atómicas