La hipótesis de prout

La hipótesis de Prout fue un intento de principios del siglo XIX de explicar la existencia de varios elementos químicos a través de una hipótesis sobre la estructura interna del átomo. En 1815 y 1816, el químico inglés William Prout publicó dos artículos en los que observaba 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.

La hipótesis de Prout influyó en Ernest Rutherford cuando logró "llamar a la puerta" núcleos de hidrógeno a partir 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 llamar protones, del sufijo "-on" para partículas, añadido a la raíz de la palabra "protyle" de Prout. La suposición discutida por Rutherford era de un núcleo que constaba de protones Z + N = A más N electrones atrapados de alguna manera 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 conocida variación de algunos pesos atómicos a valores alejados de los múltiplos enteros del hidrógeno, fue explicada entre 1913 y 1932 por el descubrimiento de los isótopos y el neutrón. Según la regla de los números enteros de Francis Aston, la hipótesis de Prout es correcta para las masas atómicas de los isótopos individuales, con un error máximo del 1 %.

Influencia

La hipótesis de Prout siguió siendo influyente en la química durante la década de 1820. Sin embargo, medidas más cuidadosas de los pesos atómicos, como las compiladas por Jacob Berzelius en 1828 o Edward Turner en 1832, refutó la hipótesis. 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. A algunos se les ocurrió la afirmación ad hoc de que la unidad básica era la mitad de un átomo de hidrógeno, pero surgieron más discrepancias. Esto resultó en la hipótesis de que un cuarto de átomo de hidrógeno era la unidad común. Aunque resultaron estar equivocadas, 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 ocurrencia natural de múltiples isótopos del mismo elemento. F. W. 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.

Hacia 1925, se descubrió que el cloro problemático estaba compuesto por los isótopos ³⁵Cl y 37Cl, en proporciones tales que el peso medio del cloro natural era unas 35,45 veces el del hidrógeno. Para todos los elementos, se encontró 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 menor que 1%. Esto es casi un error para que la ley de Prout sea correcta. Sin embargo, no se encontró que la regla predijera las masas de los isótopos mejor que esto para todos los isótopos, debido principalmente a los 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 sabe que los átomos se componen de protones (núcleos de hidrógeno) y 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 los 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 átomo de protón, neutrón o 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 el núcleo de hierro se formó a partir de hidrógeno dentro de una estrella (ver nucleosíntesis estelar).

Alusiones literarias

En su novela de 1891 The Doings of Raffles Haw, Arthur Conan Doyle habla de convertir elementos en otros elementos de número atómico decreciente, hasta llegar a una materia gris.

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