普洛特假說

普洛特假說（英語：Prout's hypothesis）是 19 世紀早期的一次嘗試，試圖通過有關原子內部結構的假說來解釋各種化學元素的存在。

Prout's hypothesis, 1947

1815年和1816年，英國化學家威廉·普洛特發表了兩篇論文，他在論文中觀察到當時已知元素的測量原子量似乎是氫原子量的整數倍。 然後，他假設氫原子是唯一真正的基本物質，將其稱為質子，而其他元素的原子實際上是不同數量氫原子的組合。

普洛特假說對歐內斯特·盧瑟福產生了影響，他於 1917 年成功地用 α 粒子從氮原子中「撞擊出」氫原子核，並由此得出結論，也許所有元素的原子核都是由這種粒子（氫原子核）構成的。

1920 年，他建議將粒子命名為「質子」，將粒子的後綴「-on」添加到普洛特的單詞「protyle」的詞幹上。盧瑟福討論的假設是一個由 Z + N = A 質子加上原子核組成的原子核 N 電子以某種方式被困在其中，從而將正電荷減少到+Z，正如觀察到的那樣，並模糊地解釋了β衰變放射性。

眾所周知，這種核構造與經典動力學或早期量子動力學不一致，但在盧瑟福提出中子假說和英國物理學家詹姆斯·查德威克發現之前，這種核構造似乎是不可避免的。

1913 年至 1932 年間，同位素和中子的發現解釋了普洛特假設與某些原子量為非氫整數倍之間的差異。 根據弗朗西斯·阿斯頓的整數法則，普洛特假說對於單種同位素的原子質量是正確的，誤差最多為1%。

影響

普洛特的假設在整個 1820 年代仍然對化學產生影響。 然而，對原子量進行更仔細的測量，例如約恩斯·貝爾塞柳斯在 1828 年或 愛德華·詹納 在 1832 年編制的測量結果，反駁了這一假設。特別是氯的原子量，是氯的原子量的 35.45 倍。 氫的存在，當時無法用普洛特假說來解釋。 有些人臨時提出了基本單位是氫原子的二分之一的說法，但進一步的差異浮出水面。 這導致了這樣的假設：氫原子的四分之一是公共單位。 儘管它們被證明是錯誤的，但這些猜想催化了原子量的進一步測量。

到 1919 年，原子量的差異被懷疑是同一元素的多種同位素自然出現的結果。弗朗西斯·阿斯頓使用質譜儀發現了多種元素的多種穩定同位素。

1919 年，弗朗西斯·阿斯頓以足夠的解析度研究了氖氣，結果表明這兩個同位素質量非常接近整數 20 和 22，並且都不等於氖氣的已知摩爾質量 (20.2)。

1925 年，人們發現有問題的氯由同位素 35Cl 和 37Cl 組成，其比例使得天然氯的平均重量約為氫的 35.45 倍。對於所有元素，最終發現質量數為 A 的每個同位素的質量非常接近 A 乘以氫原子的質量，誤差始終小於 1%。 這與普洛特定律的正確性相差無幾。 然而，對於所有同位素來說，並沒有發現該規則能夠比這個更好地預測同位素質量，這主要是由於原子核形成時釋放結合能而導致的質量虧損(mass defect)。

儘管所有元素都是氫核融合成高級元素的產物，但現在人們知道原子由質子（氫核）和中子組成。

普洛特定律的現代版本是，對於質子數為Z、中子數為 N的核素，其原子質量等於其質子和中子的質量之和，減去核結合能的質量虧損。

根據弗朗西斯·阿斯頓提出的整數法則，核素的質量大致是：

核素的質量=質量數（A） * 原子質量單位 （u）± 結合能質量虧損；

（質量數A=質子數Z+中子數N）

其中原子質量單位指的是「質子、中子或氫原子的質量」的現代近似值。

例如，鐵 56 原子（具有最高的結合能）的重量僅為 56 個氫原子的 99.1% 左右。 缺失的 0.9% 質量代表當鐵原子核由恆星內部的氫製成時損失的能量（參見恆星核合成）。

文獻典故

阿瑟·柯南·道爾 (Arthur Conan Doyle) 在 1891 年的論文《萊佛士霍的所作所為》中談到了將元素轉變為原子序數遞減的其他元素，直到達到暗物質（grey matter）。

瓦西里·格羅斯曼 (Vasily Grossman) 的主角、物理學家維克托·施特魯姆 (Viktor Shtrum) 在其 1959 年的論文《生命與命運》中反思了普洛特關於氫是其他元素起源的假設（以及普洛特的錯誤數據導致了本質上正確的結論），因為他擔心由此無法完成自己的論文。