La 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 ]} 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 . ^{[ 2 ] : 361} En 1816, ^{[ 3 ]} 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 diferentes números de átomos de hidrógeno. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La discrepancia entre la hipótesis de Prout y la variación conocida de algunos pesos atómicos a valores muy alejados de los múltiplos enteros del hidrógeno, se explicó entre 1913 y 1932 con 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 %.

La hipótesis de Prout siguió siendo influyente en la química a lo largo de principios del siglo XIX. En 1826, Jacob Berzelius informó de pesos atómicos significativamente diferentes de los que Prout utilizó para respaldar su afirmación, y Edward Turner, en 1832, aportó pruebas en apoyo de Berzelius. Sin embargo, otros químicos, como Edward Turner en 1833, midieron valores que parecían estar en concordancia plausible con la hipótesis. ^{[ 6 ] : 682–683}

En la década de 1840 se siguieron obteniendo ciertos éxitos. Jean-Baptiste Dumas descubrió que la síntesis del agua coincidía con la hipótesis. Jean Charles Galissard de Marignac halló concordancia con sus mediciones más extensas de plata, potasio, bromo, yodo y nitrógeno. Sin embargo, su peso atómico del cloro , que es 35,45 veces mayor que el del hidrógeno , no coincidía con la hipótesis de Prout. Para explicar esto, Marignac propuso que la unidad básica era la mitad de un átomo de hidrógeno. Este cambio no fue bien recibido en la comunidad científica y, cuando Dumas propuso una unidad de atomismo de 0,25 en 1859, el concepto perdió aún más valor. Finalmente, en 1860, Jean Stas resumió sus 20 años de esfuerzo por confirmar la idea de Prout con resultados rigurosos pero decepcionantes que demostraban que la "hipótesis era expresamente contradicha por el experimento". ^{[ 4 ]}

A pesar del fracaso final, las conjeturas de Prout impulsaron una medición más precisa y exhaustiva de los pesos atómicos. Este concepto ayudó a John Strutt y William Ramsay a descubrir el argón, químicamente inerte . ^{[ 6 ]}

La hipótesis de Prout influyó en Ernest Rutherford cuando logró extraer núcleos de hidrógeno de átomos de nitrógeno con partículas alfa en 1917, y concluyó que tal vez los núcleos de todos los elementos estaban formados por tales partículas (el núcleo de hidrógeno), que en 1920 sugirió que se denominaran protones , del sufijo "-ón" para partículas, añadido a la raíz de la palabra de Prout "protilo". ^{[ 7 ]} La suposición, tal como la discutió Rutherford, era de un núcleo que consistía en Z + N = A protones más N electrones de alguna manera atrapados en su interior, reduciendo así la carga positiva a +Z como se observó y explicando vagamente la radiactividad de la 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 .

En 1919, se sospechaba que la discrepancia en los pesos atómicos era el resultado de la presencia 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 la resolución suficiente para demostrar que las dos masas isotópicas son muy cercanas a los números enteros 20 y 22, y que ninguna es igual a la masa molar conocida (20,2) del gas neón . ^{[ 8 ]}

Para 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. ^{[ 9 ]} Para todos los elementos, se encontró finalmente que cada isótopo individual con número másico A tenía una masa muy cercana a A veces la masa de un átomo de hidrógeno, con un error siempre menor al 1%. Esto es casi una aproximación a la veracidad 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 producto de la fusión nuclear del hidrógeno en elementos superiores, ahora se entiende que los átomos constan de protones (núcleos de hidrógeno) y neutrones . La versión moderna de la regla de Prout establece que la masa atómica de un isótopo con 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 másico A ( Z  + N ) multiplicado por un dalton (Da), más o menos la discrepancia de la energía de enlace; un dalton es la aproximación moderna para "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 en el interior de una estrella (véase nucleosíntesis estelar ). 

En su novela de 1959, Vida y destino (Parte 1, Cap. 16), 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 sobre el afortunado hecho de que los datos incorrectos de Prout condujeran a una conclusión esencialmente correcta, mientras se preocupa por su incapacidad para formular su propia tesis.

En la única obra de ciencia ficción de Herman Wouk , Los papeles de Lomokome , el capítulo 4 hace referencia a la hipótesis de Prout al introducir el "hidrogenismo", el sistema sociorreligioso de Lomokome, una de las dos civilizaciones en guerra en la Luna. ^{[ 10 ] : 42}

• Energía de unión

• La fórmula semiempírica para las masas atómicas