John Dalton

John Dalton era un chimico, fisico e meteorologo inglese. È noto soprattutto per aver introdotto la teoria atomica in chimica e per le sue ricerche sul daltonismo, talvolta chiamato Daltonismo in suo onore.

Primi anni

John Dalton nacque in una famiglia Quacchera da Eaglesfield, vicino Cockermouth, in Cumberland, Inghilterra. Suo padre era un tessitore. Ricevette la sua prima educazione da suo padre e dal Quacchero John Fletcher, che gestiva una scuola privata nel vicino villaggio di Pardshaw Hall. La famiglia di Dalton era troppo povera per sostenerlo a lungo e iniziò a guadagnarsi da vivere, dall'età di dieci anni, al servizio del ricco Quacchero locale Elihu Robinson.

Primi anni di carriera

Quando aveva 15 anni, Dalton si unì a suo fratello maggiore Jonathan nella gestione di una scuola Quacchera a Kendal, Westmorland, circa 45 miglia 72 km da casa sua. Intorno all'età di 23 anni Dalton avrebbe potuto considerare di studiare legge o medicina, ma i suoi parenti non lo incoraggiarono, forse perché essendo un Dissenziente, gli era vietato frequentare le università inglesi. 

Acquisì molta conoscenza scientifica da insegnamenti informali da John Gough, un filosofo cieco dotato nelle scienze e nelle arti. All'età di 27 anni fu nominato insegnante di matematica e filosofia naturale al "New College" di Manchester, un'accademia dissenziente il predecessore diretto, dopo una serie di cambiamenti di ubicazione, del Harris Manchester College, Oxford. Rimase lì fino all'età di 34 anni, quando il peggioramento della situazione finanziaria del collegio lo portò a rassegnare le dimissioni e iniziare una nuova carriera come insegnante privato di matematica e filosofia naturale.

Lavoro scientifico

Meteorologia

La prima vita di Dalton fu influenzata da un prominente Quacchero, Elihu Robinson, un meteorologo competente e costruttore di strumenti, da Eaglesfield, Cumbria, che lo interessò ai problemi della matematica e della meteorologia. Durante i suoi anni a Kendal, Dalton ha contribuito con soluzioni a problemi e ha risposto a domande su vari argomenti in The Ladies' Diary e in Gentleman's Diary. Nel 1787, all'età di 21 anni, iniziò il suo diario meteorologico nel quale, durante i successivi 57 anni, inserì più di 200.000 osservazioni. Riscoprì la teoria di George Hadley sulla circolazione atmosferica ora nota come cella di Hadley intorno a questo periodo. Nel 1793 la prima pubblicazione di Dalton, Meteorological Observations and Essays, conteneva i semi di diverse delle sue successive scoperte ma nonostante l'originalità del suo trattamento, poca attenzione fu prestata da altri studiosi. Un secondo lavoro di Dalton, Elements of English Grammar or A new system of grammatical instruction: for the use of schools and academies, è stato pubblicato nel 1801.

Misurare le montagne

Dopo aver lasciato il Lake District, Dalton tornava annualmente per trascorrere le sue vacanze studiando la meteorologia, cosa che comportava molto trekking. Fino all'avvento degli aeroplani e dei palloni meteorologici, l'unico modo per effettuare misurazioni di temperatura e umidità in quota era scalare una montagna. Dalton stimò l'altezza usando un barometro. L'Ordnance Survey non pubblicò mappe per il Lake District fino agli anni 1860. Prima di allora, Dalton era una delle poche autorità sulle altezze delle montagne della regione. Era spesso accompagnato da Jonathan Otley, che studiò anche le altezze dei picchi locali, utilizzando i dati di Dalton come confronto per verificare il suo lavoro. Otley pubblicò le sue informazioni nella sua mappa del 1818. Otley divenne sia un assistente che un amico di Dalton.

Daltonismo

Nel 1794, poco dopo il suo arrivo a Manchester, Dalton fu eletto membro della Manchester Literary and Philosophical Society, il "Lit & Phil", e poche settimane dopo comunicò il suo primo articolo su "Extraordinary facts relating to the vision of colours", in cui postulò che la carenza nella percezione del colore fosse causata da una decolorazione del mezzo liquido del bulbo oculare. Poiché sia lui che suo fratello erano daltonici, riconobbe che la condizione doveva essere ereditaria.

Sebbene la teoria di Dalton perdesse credibilità durante la sua vita, la natura approfondita e metodica della sua ricerca sul suo problema visivo fu così ampiamente riconosciuta che il daltonismo divenne un termine comune per il daltonismo. L'esame del suo bulbo oculare conservato nel 1995 ha dimostrato che Dalton aveva un tipo meno comune di daltonismo, la deuteranopia, in cui i coni sensibili alle lunghezze d'onda medie mancano piuttosto che funzionare con una forma mutata di pigmento, come nel tipo più comune di daltonismo, la deuteranomalia. Oltre al blu e al viola dello spettro ottico era in grado di riconoscere solo un colore, il giallo, o, come disse in un articolo,

Quella parte dell'immagine che gli altri chiamano rosso, mi appare poco più che un'ombra, o un difetto di luce; dopo di che l'arancione, il giallo e il verde sembrano un colore, che discende abbastanza uniformemente da un giallo intenso a uno raro, creando quello che io chiamerei diverse sfumature di giallo.

Leggi dei gas

Nel 1800, Dalton divenne segretario della Manchester Literary and Philosophical Society, e l'anno seguente presentò un'importante serie di lezioni, intitolate "Experimental Essays" sulla costituzione dei gas misti; la pressione del vapore e altri vapori a diverse temperature nel vuoto e nell'aria; sull'evaporazione; e sulla dilatazione termica dei gas. I quattro saggi, presentati tra il 2 e il 30 ottobre 1801, furono pubblicati nelle Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester nel 1802.

Il secondo saggio si apre con l'osservazione,

Difficilmente si può nutrire un dubbio riguardante la riducibilità di tutti i fluidi elastici, di qualunque tipo, in liquidi; e non dovremmo disperare di effettuarla a basse temperature e con forti pressioni esercitate sui gas non mescolati ulteriormente.

Dopo aver descritto esperimenti per accertare la pressione del vapore a vari punti tra 0 e 100 °C 32 e 212 °F, Dalton concluse dalle osservazioni della pressione di vapore di sei liquidi diversi, che la variazione della pressione di vapore per tutti i liquidi è equivalente, per la stessa variazione di temperatura, calcolando a partire dal vapore di una data pressione.

Nel quarto saggio osserva:

Non vedo motivo sufficiente per cui non potremmo concludere, che tutti i fluidi elastici sotto la stessa pressione si espandono ugualmente dal calore—e che per una data espansione del mercurio, la corrispondente espansione dell'aria è proporzionalmente qualcosa di meno, quanto più alta è la temperatura. ... Sembra, quindi, che le leggi generali riguardanti la quantità assoluta e la natura del calore, siano più probabilmente derivabili da fluidi elastici che da altre sostanze.

Enunciò la legge di Gay-Lussac, pubblicata nel 1802 da Joseph Louis Gay-Lussac Gay-Lussac attribuì la scoperta al lavoro inedito degli anni 1780 di Jacques Charles. Nei due o tre anni seguenti le lezioni, Dalton pubblicò diversi articoli su argomenti simili. "On the Absorption of Gases by Water and other Liquids" letto come una lezione il 21 ottobre 1803, pubblicato per la prima volta nel 1805 conteneva la sua legge delle pressioni parziali ora nota come legge di Dalton.

Teoria atomica

Gli studi più importanti di Dalton sono concernenti con la teoria atomica in chimica. Sebbene il suo nome sia inseparabilmente associato a questa teoria, l'origine della teoria atomica di Dalton non è completamente compresa. La teoria potrebbe essergli stata suggerita dalle ricerche sull'etilene gas olefante e sul metano idrogeno carburato o dall'analisi dell'ossido nitroso protossido di azoto e del biossido di azoto deutossido di azoto, entrambi i punti di vista basati sull'autorità di Thomas Thomson.

Dal 1814 al 1819, il chimico irlandese William Higgins sostenne che Dalton aveva plagiato le sue idee, ma la teoria di Higgins non affrontava la massa atomica relativa. Tuttavia, le prove recenti suggeriscono che lo sviluppo del pensiero di Dalton potrebbe essere stato influenzato dalle idee di un altro chimico irlandese Bryan Higgins, che era lo zio di William. Bryan credeva che un atomo fosse una particella centrale pesante circondata da un'atmosfera di calòrico, la supposta sostanza del calore all'epoca. La dimensione dell'atomo era determinata dal diametro dell'atmosfera di calòrico. In base alle prove, Dalton era consapevole della teoria di Bryan e adottò idee e linguaggio molto simili, ma non ha mai riconosciuto l'anticipazione da parte di Bryan del suo modello calòrico. Tuttavia, la novità essenziale della teoria atomica di Dalton è che fornì un metodo per calcolare i pesi atomici relativi degli elementi chimici, cosa che né Bryan né William Higgins fecero; la sua priorità per questo passaggio cruciale è incontestata.

Uno studio dei quaderni di laboratorio di Dalton, scoperto nelle stanze della Manchester Literary and Philosophical Society, ha concluso che ben lungi dal fatto che Dalton fosse guidato dalla sua ricerca di una spiegazione della legge delle proporzioni multiple all'idea che la combinazione chimica consista nell'interazione di atomi di peso definito e caratteristico, l'idea di atomi sorse nella sua mente come un concetto puramente fisico, impostogli dallo studio delle proprietà fisiche dell'atmosfera e di altri gas. Le prime indicazioni pubblicate di questa idea si trovano alla fine del suo articolo "On the Absorption of Gases by Water and other Liquids" già menzionato. Lì dice:

Perché l'acqua non ammette il suo volume di ogni tipo di gas allo stesso modo? Questa domanda l'ho dovuta considerare attentamente, e sebbene non sia in grado di soddisfarmi completamente sono quasi persuaso che la circostanza dipende dal peso e dal numero delle particelle ultime dei vari gas.

Propone quindi pesi relativi per gli atomi di pochi elementi, senza entrare ulteriormente nel dettaglio.

I punti principali della teoria atomica di Dalton, così come si sviluppò eventualmente, sono:

1. Gli elementi sono fatti di particelle estremamente piccole chiamate atomi.
2. Gli atomi di un dato elemento sono identici in dimensione, massa e altre proprietà; gli atomi di elementi diversi differiscono in dimensione, massa e altre proprietà.
3. Gli atomi non possono essere suddivisi, creati o distrutti.
4. Gli atomi di elementi diversi si combinano in semplici rapporti di numeri interi per formare composti chimici.
5. Nelle reazioni chimiche, gli atomi sono combinati, separati o riorganizzati.

Nel suo primo articolo pubblicato di discussione estesa della teoria atomica 1808, Dalton propose una "regola di massima semplicità" aggiuntiva e controversa. Questa regola non potrebbe essere confermata in modo indipendente, ma era necessaria un'assunzione simile per proporre formule per alcune semplici molecole, su cui dipendeva il calcolo dei pesi atomici. Questa regola dettava che se gli atomi di due elementi diversi erano noti per formare solo un singolo composto, come l'idrogeno e l'ossigeno che formano acqua o l'idrogeno e l'azoto che formano ammoniaca, le molecole di quel composto sarebbero assunte come consistenti di un atomo di ciascun elemento. Per gli elementi che si combinano in rapporti multipli, come i due ossidi di carbonio allora noti o i tre ossidi di azoto, le loro combinazioni erano assunte come le più semplici possibili. Ad esempio, se due tali combinazioni sono note, una deve consistere di un atomo di ciascun elemento, e l'altra deve consistere di un atomo di un elemento e due atomi dell'altro.

Questa era semplicemente un'assunzione, derivata dalla fede nella semplicità della natura. Nessuna prova era allora disponibile per gli scienziati per dedurre quanti atomi di ciascun elemento si combinano per formare molecole. Ma questa o un'altra regola simile era assolutamente necessaria per qualsiasi teoria incipiente, poiché si aveva bisogno di una formula molecolare assunta per calcolare i pesi atomici relativi. La "regola di massima semplicità" di Dalton lo portò ad assumere che la formula per l'acqua fosse OH e l'ammoniaca fosse NH, abbastanza diversa dalla nostra comprensione moderna H2O, NH3. D'altra parte, la sua regola di semplicità lo portò a proporre le formule moderne corrette per i due ossidi di carbonio CO e CO2. Nonostante l'incertezza al cuore della teoria atomica di Dalton, i principi della teoria sopravvissero.

Pesi atomici

Dalton pubblicò la sua prima tabella di pesi atomici relativi contenente sei elementi idrogeno, ossigeno, azoto, carbonio, zolfo e fosforo, relativi al peso di un atomo di idrogeno convenzionalmente assunto come 1. Poiché questi erano solo pesi relativi, non hanno un'unità di peso ad essi allegata. Dalton non fornì alcuna indicazione in questo articolo di come era arrivato a questi numeri, ma nel suo quaderno di laboratorio, datato 6 settembre 1803, c'è un elenco in cui stabilì i pesi relativi degli atomi di un numero di elementi, derivati dall'analisi di acqua, ammoniaca, diossido di carbonio, ecc. da parte di chimici dell'epoca.

L'estensione di questa idea a sostanze in generale lo portò necessariamente alla legge delle proporzioni multiple, e il confronto con l'esperimento confermò brillantemente la sua deduzione. Nel documento "On the Proportion of the Several Gases in the Atmosphere", letto da lui nel novembre 1802, la legge delle proporzioni multiple sembra essere anticipata nelle parole:

Gli elementi dell'ossigeno possono combinarsi con una certa porzione di gas nitroso o con il doppio di quella porzione, ma con nessuna quantità intermedia.

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