فرانسيس ويليام أستون: الرجل الذي وزن الذرة

في عام 1919، في مختبر كافنديش، خرجت لوحة تصوير فوتوغرافي من حمام التحميض تحمل صفًا من الخطوط الداكنة الحادة حيث وعدت الكيمياء ببقعة واحدة ضبابية. عَنَت هذه الخطوط أن العنصر الموجود في الأنبوب لم يكن مادة واحدة بل عدة مواد، لكل منها وزنها الخاص — وأن الأوزان الذرية المرتبة في كل كتاب مدرسي كانت متوسطات لمجموعة من الجسيمات. قضى الرجل الذي بنى الأداة سنوات العشرين من عمره في تحليل البيرة. وفي غضون ثلاث سنوات، حصل على جائزة نوبل.

من أحواض التخمير إلى أشعة الكاثود

وُلد أستون، وهو الطفل الثالث والابن الثاني لويليام أستون (William Aston) وفاني شارلوت هوليس (Fanny Charlotte Hollis)، في 1 سبتمبر 1877 في هاربورن (Harborne)، وهي قرية ابتلعتها مدينة برمنغهام لاحقًا. التحق بمدرسة هاربورن فيكارج (Harborne Vicarage School)، ودرس داخليًا في كلية مالفيرن (Malvern College) في ورسيستيرشاير، ومنذ عام 1893 التحق بكلية ميسون (Mason College) - التي كانت آنذاك كلية خارجية تابعة لجامعة لندن - حيث درس الفيزياء تحت إشراف جون هنري بوينتينج (John Henry Poynting) والكيمياء تحت إشراف فرانكلاند (Frankland) وتيلدن (Tilden). منذ عام 1896، أدار أبحاثه الخاصة من مختبر خاص في منزل والده، مهتمًا بالخصائص البصرية لمركبات حمض الطرطريك.

ثم جاء منعطف قد يبدو غريبًا في سيرة أي فيزيائي حديث. درس أستون كيمياء التخمير في مدرسة التخمير ببرمنغهام وعمل في مصنع جعة دبليو. بتلر وشركاه (W. Butler & Co.) من عام 1900 إلى 1903. لم تذهب سنوات العمل الصناعي سدى. التخمير هو تخصص يتطلب قياسًا دقيقًا وتقنية دقيقة، وخرج أستون كعالم تجريبي بارع — من النوع الذي يمكنه استخلاص نتيجة من الزجاج والأسلاك والفراغ حيث فشل المنظرون الأكثر ذكاءً.

عاد إلى برمنغهام في عام 1903 كمساعد تحت إشراف بوينتينج، وبمنحة جامعية، بدأ التحقيق في التيار المار عبر أنابيب مملوءة بالغاز. أنتج عمل أستون هنا الظاهرة التي لا تزال تحمل اسمه، "فراغ أستون المظلم" (Aston dark space). حصل على درجة البكالوريوس في عام 1910 ودرجة الدكتوراه في عام 1914. بعد وفاة والده ورحلة حول العالم في عام 1908، عُين محاضرًا في برمنغهام في عام 1909.

كافنديش والأشعة الموجبة

في عام 1910، دعاه جي. جي. طومسون (J. J. Thomson) إلى كامبريدج. كانت دراسة طومسون لأشعة الكاثود قد كشفت بالفعل عن الإلكترون؛ وقد انتقل إلى الحزم المشحونة إيجابيًا التي لاحظها يوجين غولدشتاين (Eugen Goldstein) في عام 1886 وأطلق عليها اسم "كانالشتالن" (Kanalstrahlen). أثبت فيلهلم فيين (Wilhelm Wien) في عام 1908 أن الانحراف المغناطيسي، جنبًا إلى جنب مع مجال كهربائي، يمكن أن يصنف الأيونات حسب نسبة الشحنة إلى الكتلة. دخل أستون وسط تلك المشكلة وبقي معها مدى الحياة.

بحلول عام 1912، كان جهاز كامبريدج يظهر شيئًا غريبًا في النيون: انقسم الأثر إلى جزأين، عند كتلة 20 تقريبًا وكتلة 22. كان الوزن الذري المقبول للنيون هو 20.2، وهو رقم لا معنى له لنوع واحد من الذرات ومعقول تمامًا لخليط — حوالي تسعة أجزاء من نيون-20 إلى جزء واحد من نيون-22. أطلق أستون على المتغير الأثقل اسم "ميتا-نيون" (meta-neon)، وهو مصطلح استعاره من كتاب الكيمياء الخفية (Occult Chemistry)، وهو نص ثيوصوفي. كانت الغريزة صحيحة، لكن المفردات جاءت من رف غريب جدًا.

قاطعت الحرب العالمية الأولى كل شيء. قضى أستون الحرب كمساعد تقني في مؤسسة الطائرات الملكية في فارنبورو، حيث عمل على طلاءات الطيران — بعيدًا كل البعد عن الأيونات في الفراغ.

الأداة

عاد إلى كافنديش وأكمل الآلة. تم الإبلاغ عن أول مطياف كتلة في عام 1919. كان المبدأ أنيقًا: وجهت المجالات الكهربائية حزمة من الأيونات عبر مزيج من المجالات الكهربائية والمغناطيسية مرتبة بحيث تنحني الأيونات الأخف بشكل أكثر حدة من الثقيلة، وهبطت عائلة العنصر بأكملها كصف من العلامات المنفصلة على لوحة فوتوغرافية. ولأن التصميم أعاد أيونات من نفس الكتلة ولكن بسرعات مختلفة إلى بؤرة مشتركة، كانت العلامات عبارة عن خطوط بدلاً من بقع ضبابية. كان هذا أول مطياف كتلة ذو مجال قطاعي، وكانت دقته هي الهدف الأساسي.

قام أستون بعد ذلك بذلك مرتين أخريين، حيث كانت كل أداة أكثر دقة من سابقتها. تدفقت النتائج: أكثر من خمسين نظيرًا في ست سنوات، و212 نظيرًا طبيعيًا طوال حياته المهنية. نشر كتاب النظائر (Isotopes) في عام 1922، وهو حساب موجز من 152 صفحة، وكتاب أطياف الكتلة والنظائر (Mass-Spectra and Isotopes) الموسع في عام 1933.

قاعدة العدد الصحيح

من اللوحات جاء تعميم ذو مدى مذهل. بأخذ كتلة نظير الأكسجين كـ 16، لاحظ أستون أن جميع النظائر الأخرى لها كتل كانت قريبة جدًا من الأعداد الصحيحة. "قريبة جدًا" كانت حيث تختبئ الفيزياء: جاء الهيدروجين أثقل بنحو واحد في المائة مما تتطلبه القاعدة، وهذا التناقض هو أساس محاسبة الطاقة النووية. بحلول عام 1936، كان أستون يتكهن علنًا حول ما يمكن فعله بالكتلة المفقودة.

انتخبت الجمعية الملكية أستون زميلًا لها في عام 1921، وهو نفس العام الذي انضم فيه إلى اللجنة الدولية للأوزان الذرية. جاءت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1922 "لاكتشافه، عن طريق مطياف الكتلة الخاص به، للنظائر، في عدد كبير من العناصر غير المشعة، ولتوضيحه لقاعدة العدد الصحيح". تبعتها ميدالية باتيرنو (Paterno Medal) في عام 1923. كان زميلًا في كلية ترينيتي، كامبريدج.

الرياضي في مسار الكسوف

الحياة الخاصة لأستون غير معقولة تقريبًا. لم يتزوج قط، وملأ المساحة بالحركة. مارس التزلج الريفي والتزلج على الجليد في زيارات منتظمة لسويسرا والنرويج، وتعلم تسلق الجبال خلال الحرب. بنى محركه الاحتراقي الخاص في عام 1902 وظهر في سباق غوردون بينيت للسيارات في أيرلندا عام 1903. سبح، ولعب الغولف — كثيرًا مع إرنست رذرفورد (Ernest Rutherford) — وفاز بجوائز التنس في إنجلترا وويلز وأيرلندا، وتعلم ركوب الأمواج في هونولولو عام 1909. من عائلة موسيقية، عزف البيانو والكمان والتشيلو بشكل جيد بما يكفي للأداء في حفلات كامبريدج.

كان أيضًا مصورًا جادًا بشهية فلكية، يطارد كسوف الشمس الكلي حول العالم: بينكوبن في 1925، سومطرة في 1932، ماجوغ في كندا في أغسطس من ذلك العام، كاميشاري في هوكايدو في 1936.

لماذا يُدعى فرانسيس عبقريًا

تستند مطالبة أستون إلى نوع غير عصري من العقل: الخيال الأدواتي. لم يستمد قاعدة العدد الصحيح من النظرية. بل بنى آلة قادرة على قياس لا يمكن لأحد القيام به، وقام بذلك 212 مرة، وقرأ النمط من اللوحات. كان ترشيح نوبل دقيقًا بشأن هذا ويستحق أن يؤخذ حرفيًا — فهو يكرم "اكتشافه، عن طريق مطياف الكتلة الخاص به"، وبشكل منفصل "توضيحه لقاعدة العدد الصحيح". تم تسمية إنجازين لأنهما كانا اثنين، وكان الثاني ممكنًا فقط لأن الأول كان جيدًا بما يكفي. كانت هديته هي رؤية أن الأثر الضبابي كان مشكلة هندسية بدلاً من كونه حقيقة طبيعية، والتحسين حتى انحل الضباب إلى معلومات.

القضية المضادة حقيقية. لم يبتكر التقنية: وجد غولدشتاين الأشعة الموجبة في 1886، وأظهر فيين كيفية انحرافها في 1908، وكان لدى طومسون نتيجة النيون في متناول اليد. أتقن أستون سلالة بدلاً من تأسيس واحدة. لم يقدم أي تفسير لماذا توجد النظائر، وكان حكمه التفسيري المبكر ضعيفًا — فالرجل الذي سمى نظيرًا "ميتا-نيون" بعد نص ثيوصوفي لم يكن يعمل من مبادئ نظرية أولية. لا تسجل المصادر المتاحة أي معاصر ينعته بالعبقري؛ إنهم يثنون على اكتشاف وقاعدة. هذا هو الشكل الصادق للأمر. ما كان يمتلكه أستون ليس جرأة مفاهيمية بل معيار غير إنساني تقريبًا لموثوقية الرقم، تم الحفاظ عليه دون توقف لمدة خمسة وعشرين عامًا.

الإرث

توفي في كامبريدج في 20 نوفمبر 1945، عن عمر يناهز الثامنة والستين، في العام الأول من العصر النووي الذي ساعدت قاعدته في جعله ممكنًا حسابيًا. كل مطياف كتلة في كل مستشفى ومصفاة وقسم جيولوجي ينحدر من الآلة التي جمعها في كافنديش. هناك فوهة بركان تسمى أستون على القمر، وتمنح الجمعية البريطانية لمطياف الكتلة ميدالية أستون كل عام. حصل كيميائي البيرة على الكلمة الأخيرة حول ما تزن الذرات فعليًا.