所有的物质都是由一种元素构成的吗?

虽然最近的结果大型强子对撞机似乎支持核结构的标准模型，关于物质最终组成的争论仍在继续。弦理论有支持者(包括斯蒂芬·霍金)，超对称理论也是如此。与此同时，暗物质——尽管被天体物理学家认为是必不可少的——仍然是谜，难以捉摸。这种争论在很早以前就有了。

最早的人类认识到不同的材料具有不同的特性，并创造性地利用它们，用燧石制作工具，用红赭石装饰洞穴墙壁。区分不同物质成为人类语言的一项重要功能——即使是所谓原始部落民族的语言中也有丰富的这种描述性术语。同样，将物质分类为“干净”或“不干净”也是许多宗教的基石。

然而，一些早期的希腊哲学文献认为，物质世界的丰富多样性都来自于单一基本物质的变化。公元前580年左右，米利都的泰勒斯提出基本元素是水。不久之后，以弗所的赫拉克利特声称这是火，还有其他的竞争者。最终，人们达成了共识——地上有四种元素(火、水、土和空气)，天上还有一种元素(以太)。在亚里士多德的权威支持下，这种五分法被接受了几个世纪。但对单一终极元素(通常被称为“一元论”的世界观)的信仰从未完全消失。1815年威廉·普劳特重新审视这个想法，产生了深远的影响。

反对普劳特假说的证据在整个19世纪都在积累，但几位杰出的化学家承认了其潜在的逻辑。从20世纪早期核科学的进步，到1913年，它获得了新的可信度亨利·莫斯利通过使用x射线按原子序数而不是质量对元素进行排序，消除了修复它的一个主要障碍。第一次世界大战开始时，莫斯利应征入伍，并于1915年死于加里波利。今年，牛津大学科学史博物馆将纪念他的发现。然而，如果把它们与普劳特一个世纪前提出的大胆建议放在一起看，它们的历史意义就更加清晰了。

走在病房里

威廉·普劳特是一位晚期开发者。1785年，他出生在格洛斯特郡的一个农民家庭，接受的教育很粗略(可能被农业工作打断过)。1805年，20岁的他进入了布里斯托尔的托马斯·琼斯牧师学校，在教授初级技能的同时，他接受了爱丁堡大学入学所需的高级学科的指导。1808年，23岁的他在相对成熟的年纪取得了这一成就。

在爱丁堡，普劳特寄宿在亚历山大·亚当家里(他将于1814年与亚当的女儿阿格尼斯结婚)。1811年，他以医学博士的身份毕业，在1812年获得皇家内科医学院的执照之前，他习惯在伦敦医院的病房里走动。这张执照让他可以在伦敦开业，但这并不是他唯一的抱负。从他在布里斯托尔的日子起，他就积极地参与化学研究，到1814年，他已经有足够的信心在私下里做一些化学讲座。他们帮助他进入了伦敦的科学界，并于1819年成为皇家学会的会员。

在他的医学生涯中，普劳特一直在研究具有生物学意义的化学现象。他证明了胃液中含有盐酸，他将营养物质分为“糖质”(碳水化合物)、“油质”(脂肪)和“白蛋白”(蛋白质)的三部分被广泛接受。化学分析是他研究糖尿病和肾结石等影响泌尿系统疾病的核心，他1821年关于这些疾病的论文有五个英文版，并被翻译成法语和德语。然而，他对物质统一性的推测产生了最大的影响。

大胆的猜测

普劳特关于这一主题的第一本出版物(匿名)于1815年出版。信的开头是这样写的:“以下文章的作者怀着极大的信心将其提交给公众。然而，他相信，它的重要性将被看到。”它的标题气态物体的比重与原子重量之间的关系可能看起来没有争议，但在当时这是一个热门话题。

化学原子理论，曼彻斯特的约翰·道尔顿根据元素的综合权重，它的历史还不到十年。约瑟夫·吕萨克他在巴黎进行的关于气态元素结合体积的实验是最近才开始的。重量和体积计算之间的明显差异使许多化学家感到困惑。(这种困惑持续了几十年，直到阿伏伽德罗定律的重要性被理解。)普劳特试图通过整理有关元素组合的相对重量和体积的信息来澄清问题，但他的文章有一个问题。

普劳特的大部分数值数据来自著名化学家的出版物，尽管他自己也重复了许多测量。他们认为原子质量(相对于氢)具有整数值，他回忆说，“在我被引导去研究这个问题之前，我经常观察到接近整数的方法。”他还指出，许多原子的质量可以被4整除(有些可以被8整除)，并想知道是否所有物质都可能由氢和氧组成(“复合”)。

这种激进的质疑在普劳特1816年发表的下一篇论文中没有出现，这篇论文主要是为了纠正前一篇论文中的一些小错误。然而，他的结论是另一个大胆的猜测。在重申了所有原子质量(相对于氢而言)都是整数之后，普劳特提出氢是构成所有物质的基本物质——古希腊哲学家泰勒斯(Thales)提出的hyle原型。

普劳特承认，这种想法“并不完全是新的”。他同时代的几个人怀疑许多所谓的元素并不是简单的物质。(汉弗莱·戴维发现了其中几颗，他更喜欢用“非复合体”这个词。)尽管如此，所有假定的元素都是由氢原子构成的这一观点在化学家中被称为普劳特假说。尽管经常受到批评，但在1850年他去世后很长一段时间里，它仍在继续引发争论。

幻想混淆

苏格兰化学家托马斯·汤姆逊(Thomas Thomson)是早期的支持者之一，他的原子量测量似乎与这一假设相吻合。然而，这位著名的瑞典化学家乔恩·贝采里乌斯不同意，批评汤姆逊的实验技术在不节制的语言。尽管贝采里乌斯反对，但人们对普劳特的想法一直很感兴趣。在19世纪40年代和50年代，当时的法国化学家让-巴蒂斯特·杜马斯(Jean-Baptiste Dumas)认真考虑过这种方法。但比利时人让·斯塔斯(Jean Stas)最初对此表示同情，但他在1860年得出结论说，这个假设是“纯粹的错觉”。在精确测量了许多原子量之后，他发现它们明显偏离了整数。

尽管斯塔斯的结果令人印象深刻，但瑞士人让·马里尼亚克(Jean Marignac)认为，从统计学上讲，如此多的原子量与整数值的接近不太可能是偶然出现的。他还提出(正如大仲马所做的那样)，如果最终基本粒子的质量恰好是氢原子的一半或四分之一，就可以解释非积分原子量。最后，马里尼亚克提出，复合原子的质量可能小于其组成部分的质量之和——这是一个大胆的猜测，最终被证明是正确的。

与此同时，物理学上的发现为原子可分性提出了新的论点。英国光谱学家诺曼·洛克耶和威廉•克鲁克斯声称异常发射光谱揭示了极端条件下元素的分解-在太阳和恒星内部，或在高压放电中。1886年，克鲁克斯提出，物质的基本成分是类似普劳特的原始海勒(也称为原型)的东西，在从恒星温度冷却到地球温度的过程中，它通过进化过程产生了较重的元素。

原子进化的观点在1902年开始流行，当时新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福英国化学家弗雷德里克草皮的他在加拿大麦吉尔大学(McGill University)工作，宣布放射性衰变涉及一种元素转变为另一种元素。索迪后来认为，以前被认为是元素的几种放射性物质的状态是有问题的。1913年，他厌倦了写“化学上相同且不可用化学方法分离的元素”，开始称它们为“同位素”——这是苏格兰医生玛格丽特·托德提出的名字。同年，亨利·莫斯利(Henry Moseley)在x射线光谱方面的工作开始为这一令人困惑的实体阵列带来秩序。

发现原子序数

与普劳特不同，莫斯利是在学术界长大的。他的父亲和祖父都是科学教授(前者在牛津大学，后者在伦敦国王学院)，而他的外祖父是软体动物专家和皇家学会会员。在牛津大学，莫斯利在数学和科学方面表现出色(还在大学里划船)。1910年毕业后，他被任命为曼彻斯特大学的物理学讲师，并在卢瑟福在那里发展原子核理论时开始了他的研究。

1913年，莫斯利开始绘制x射线在晶格中衍射时产生的谱线。他的x射线是通过将阴极射线(电子)引导到由各种元素构成的目标上而产生的，到1914年夏天，他已经轰击了许多金属样品。他发现，每种元素x射线谱中最强烈的短波线的频率可以通过一个简单的方程与元素在周期表中的位置联系起来(用一个整数表示，他称之为“原子序数”)。

在元素周期表中，大多数元素是按原子量的升序排列的。但对于少数几对元素，如氩和钾，它们的重量顺序必须颠倒，才能将它们定位在最合适的组中。莫斯利方程解释了这些异常现象，为原子序数比原子量更重要的信念提供了坚实的基础。

莫斯利的计算揭示了原子序数列表中的空白，他将这些空白分配给了尚未发现的元素。(其中一些长期以来一直被怀疑存在，大多数后来通过化学手段被分离出来。)与此同时，在元素周期表的末尾，显然有比原子序数更多的元素——索迪已经在他的同位素概念中解决了这个问题。

莫斯利并没有看到他的突破的全部结果——1915年，他在皇家工兵部队服役时被狙击手击中。但战争结束后不久，卢瑟福的团队发现了莫斯利原子序数的物理基础，并顺便恢复了普劳特的声誉。

积分原子序数似乎比有争议的原子量更符合普劳特的假设。但这些数字到底代表了什么呢?卢瑟福(以及独立的荷兰物理学家安东尼乌斯·范·登·布鲁克)提出，一种元素的原子序数等于其原子核上的净正电荷。如果是这样的话，索迪的同位素就是原子核电荷相同但质量不同的原子。质谱仪，由英国化学家发明弗朗西斯·阿斯顿1919年，他通过识别许多同位素，并最终通过物理分离其中一些同位素，证实了这一点。

到1920年，卢瑟福得出结论，所有较重的原子核都含有氢原子核。他从一个实验中推断出这一点，在这个实验中，α粒子(氦核)向氮原子发射会产生氧同位素原子和氢原子核。氢核似乎是从较重的原子中剥离出来的——但显然还有其他成分。原子核的质量太大了，不能用提供正电荷所需的氢核的数量来解释，卢瑟福怀疑额外的质量来自中性粒子。(卢瑟福的助手詹姆斯·查德威克后来发现了这些“中子”。)在1920年的英国协会会议上回顾这些问题时，卢瑟福建议称氢核为质子——他明确地将这个名字与普劳特的原型hyle联系起来。

普劳特的

卢瑟福对普劳特的致敬似乎太像一个传统的幸福结局了，不可能是真的。事实上，还有一个不幸的结局。起初，使普劳特的支持者感到沮丧的非整原子量似乎可以用这样一个事实来解释:在自然界中，许多元素以同位素的混合物的形式存在。但很明显，即使是纯同位素也不一定有完整的原子质量值。正如马里尼亚克所猜测的那样，一个原子的质量不一定等于其组成粒子的质量之和。

1915年，美国物理化学家威廉·哈金斯解释了原因。他认为，为了将(电斥力)质子聚集在原子核中，它们的部分质量被转化为结合能。哈金斯称之为原子核的“质量缺陷”。应用爱因斯坦的理论E＝mc²缺失质量的公式表明，大量的能量应该通过重原子核的裂变或轻原子核的聚变而释放出来。

20世纪40年代，受控核裂变完成，给日本的广岛和长崎带来了毁灭性的后果。不久之后，像弗雷德·霍伊尔这样的天体物理学家展示了太阳和恒星内部的核聚变如何释放出大量的能量，同时也产生了比氢更重的元素。普劳特认为所有的元素都是由氢构成的观点因此得到了证实，尽管以一种他做梦也想不到的方式。破坏他假设的非积分原子量值也得到了解释，部分原因是同位素的存在，部分原因是一些核质量转化为结合能——“质量缺陷”。

到目前为止，还没有国际上公认的质量缺陷的测量单位。1946年，美国物理学家伊诺斯·维特默(Enos Witmer)提出，它应该被设定为氘核(氢的重同位素原子核)结合能的1/12，并暂时命名为“prout”，但他的建议几乎没有得到支持。也许2015年是复兴它的好年景?