Введение
Ранняя модель атома, не учитывавшая дефект массы, была попыткой в начале XIX века объяснить существование различных химических элементов посредством гипотезы о внутренней структуре атома. В 1815 и 1816 годах английский химик Уильям Праут опубликовал две статьи, в которых отметил, что атомные веса, измеренные для элементов, известных на тот момент, казались целыми кратными атомному весу водорода. Он предположил, что атом водорода является единственным истинно фундаментальным объектом, который он назвал протилом, и что атомы других элементов на самом деле представляют собой группировки различного числа атомов водорода. Гипотеза Праута оказала влияние на Эрнеста Резерфорда, когда в 1917 году ему удалось «выбить» ядра водорода из атомов азота альфа-частицами, и он пришел к выводу, что, возможно, ядра всех элементов состоят из таких частиц (ядер водорода), которые в 1920 году он предложил назвать протонами, образовав это слово от суффикса "он", обозначающего частицы, и основы слова Праута "протил". Предположение, обсуждаемое Резерфордом, заключалось в том, что ядро состоит из Z + N = A протонов и N электронов, каким-то образом удерживаемых внутри, что уменьшает положительный заряд до +Z, как наблюдалось, и давало некое объяснение бета-распаду. Такая структура ядра оказалась несовместимой с классической или ранней квантовой динамикой, но казалась неизбежной до гипотезы о нейтроне, предложенной Резерфордом, и открытия английского физика Джеймса Чедвика. Расхождение между гипотезой Праута и известным отклонением атомных весов некоторых элементов от целочисленных кратных водорода было объяснено между 1913 и 1932 годами открытием изотопов и нейтрона. Согласно правилу целых чисел Фрэнсиса Астона, гипотеза Праута верна для атомных масс отдельных изотопов с погрешностью не более 1%.
Prout's hypothesis was an early 19th century attempt to explain the existence of the various chemical elements through a hypothesis regarding the internal structure of the atom. In 1815 and 1816, the English chemist William Prout published two papers in which he observed that the atomic weights that had been measured for the elements known at that time appeared to be whole multiples of the atomic weight of hydrogen. He then hypothesized that the hydrogen atom was the only truly fundamental object, which he called protyle, and that the atoms of other elements were actually groupings of various numbers of hydrogen atoms. Prout's hypothesis was an influence on Ernest Rutherford when he succeeded in "knocking" hydrogen nuclei out of nitrogen atoms with alpha particles in 1917, and thus concluded that perhaps the nuclei of all elements were made of such particles (the hydrogen nucleus), which in 1920 he suggested be named protons, from the suffix " on" for particles, added to the stem of Prout's word "protyle". The assumption as discussed by Rutherford was of a nucleus consisting of Z + N = A protons plus N electrons somehow trapped within thereby reducing the positive charge to +Z as observed and vaguely explaining beta decay radioactivity. Such a nuclear constitution was known to be inconsistent with dynamics either classical or early quantum but seemed inevitable until the neutron hypothesis by Rutherford and discovery by English physicist James Chadwick. The discrepancy between Prout's hypothesis and the known variation of some atomic weights to values far from integral multiples of hydrogen, was explained between 1913 and 1932 by the discovery of isotopes and the neutron. According to the whole number rule of Francis Aston, Prout's hypothesis is correct for atomic masses of individual isotopes, with an error of at most 1%.
Влияние
Гипотеза Праута оставалась влиятельной в химии на протяжении 1820-х годов. Однако более точные измерения атомных весов, такие как те, которые были составлены Якобом Берцелиусом в 1828 году или Эдвардом Тернером в 1832 году, опровергли эту гипотезу. В частности, атомный вес хлора, который в 35,45 раза превышает атомный вес водорода, в то время не мог быть объяснен в рамках гипотезы Прута. Некоторые выдвинули предположение, что основной единицей является половина атома водорода, но вскоре обнаружились и другие расхождения. Это привело к гипотезе о том, что четверть атома водорода является общей единицей. Хотя эти предположения оказались неверными, они стимулировали дальнейшие измерения атомных весов. К 1919 году стало предполагаться, что расхождения в атомных весах обусловлены естественным существованием нескольких изотопов одного и того же элемента. Ф. В. Астон обнаружил множество стабильных изотопов для различных элементов с помощью масс-спектрографа. В 1919 году Астон исследовал неон с достаточным разрешением, чтобы показать, что массы двух изотопов очень близки к целым числам 20 и 22, и ни одна из них не равна известной молярной массе (20,2) неона. К 1925 году было установлено, что хлор состоит из изотопов 35Cl и 37Cl в таких пропорциях, что средний атомный вес природного хлора составляет примерно 35,45 атомных единиц массы водорода. Для всех элементов было в конечном итоге обнаружено, что масса каждого изотопа с массовым числом А очень близка к A, умноженному на массу атома водорода, с погрешностью не более 1%. Это почти подтверждает справедливость закона Прута. Тем не менее, это правило не позволяло предсказывать массы изотопов лучше, чем это, для всех изотопов, главным образом из-за дефектов масс, возникающих в результате высвобождения энергии связи в атомных ядрах при их образовании. Хотя все элементы являются продуктом ядерного синтеза водорода в более тяжелые элементы, теперь известно, что атомы состоят как из протонов (ядер водорода), так и из нейтронов. Современная формулировка правила Прута гласит, что атомная масса изотопа с числом протонов (атомным номером) Z и числом нейтронов N равна сумме масс составляющих его протонов и нейтронов, минус масса энергии ядерного связывания, то есть дефект массы. Согласно правилу целых чисел, предложенному Фрэнсисом Астоном, масса изотопа приблизительно, но не точно, равна его массовому числу A (Z + N), умноженному на атомную единицу массы (u), плюс-минус расхождение, связанное с энергией связи. Атомная единица массы является современным приближением для "массы протона, нейтрона или атома водорода". Например, 56 атомов железа (обладающих одной из самых высоких энергий связи) весят всего около 99,1% от массы 56 атомов водорода. Отсутствующие 0,9% массы представляют собой энергию, потерянную при образовании ядра железа из водорода внутри звезды (см. звездный нуклеосинтез).
Литературные аллюзии
В романе 1891 года «Деяния Раффлса Хоу» Артур Конан Дойл рассказывает о превращении элементов в другие элементы с уменьшающимся атомным номером, пока не будет достигнута серая масса. В романе 1959 года «Жизнь и судьба» главный герой Василия Гроссмана, физик Виктор Штрум, размышляет о гипотезе Прута о том, что водород является первоосновой других элементов (и об удачном стечении обстоятельств, что неверные данные Прута привели к в основном верному заключению), испытывая тревогу из-за своей неспособности сформулировать собственный тезис.