Francis William Aston: Der Mann, der das Atom wog

Im Jahr 1919 kam im Cavendish-Laboratorium eine Fotoplatte aus ihrem Bad, die eine Reihe scharfer, dunkler Linien trug, wo die Chemie einen einzelnen Fleck versprochen hatte. Die Linien bedeuteten, dass das Element im Rohr nicht eine Substanz war, sondern mehrere, jede mit ihrem eigenen Gewicht — dass die ordentlichen Atomgewichte in jedem Lehrbuch Durchschnitte einer Menge waren. Der Mann, der das Instrument gebaut hatte, hatte seine Zwanzigerjahre mit der Analyse von Bier verbracht. Innerhalb von drei Jahren erhielt er einen Nobelpreis.

Von Brauereibottichen zu Kathodenstrahlen

Aston war das dritte Kind und der zweite Sohn von William Aston und Fanny Charlotte Hollis, geboren am 1. September 1877 in Harborne, einem Dorf, das inzwischen von Birmingham verschluckt wurde. Er besuchte die Harborne Vicarage School, war Internatsschüler am Malvern College in Worcestershire und besuchte ab 1893 das Mason College — damals ein externes College der University of London —, wo er Physik bei John Henry Poynting und Chemie bei Frankland und Tilden studierte. Ab 1896 betrieb er seine eigene Forschung in einem privaten Labor im Haus seines Vaters und beschäftigte sich mit den optischen Eigenschaften von Weinsäureverbindungen.

Dann kam ein Umweg, der auf dem Lebenslauf jedes modernen Physikers exzentrisch wirken würde. Aston studierte Gärungschemie an der Brauereischule in Birmingham und arbeitete von 1900 bis 1903 für die W. Butler & Co. Brauerei. Die industriellen Jahre waren nicht verschwendet. Brauen ist eine Disziplin exakter Messung und skrupulöser Technik, und Aston entwickelte sich zu einem hervorragenden Praktiker — der Art von Experimentator, der aus Glas, Draht und Vakuum ein Ergebnis herausholen konnte, wo ein clevererer Theoretiker scheiterte.

Er kehrte 1903 als Assistent unter Poynting nach Birmingham zurück und begann mit einem Universitätsstipendium, den Stromfluss durch gasgefüllte Röhren zu untersuchen. Astons Arbeit hier erzeugte das Phänomen, das noch heute seinen Namen trägt: den Astonschen Dunkelraum. Er erwarb seinen BSc im Jahr 1910 und seinen DSc im Jahr 1914. Nach dem Tod seines Vaters und einer Weltreise 1908 wurde er 1909 Dozent in Birmingham.

Das Cavendish und der positive Strahl

1910 lud ihn J. J. Thomson nach Cambridge ein. Thomsons Untersuchung der Kathodenstrahlen hatte bereits das Elektron hervorgebracht; er war zu den positiv geladenen Strahlen übergegangen, die Eugen Goldstein 1886 bemerkt und als Kanalstrahlen bezeichnet hatte. Wilhelm Wien hatte 1908 gezeigt, dass magnetische Ablenkung in Kombination mit einem elektrischen Feld Ionen nach dem Verhältnis von Ladung zu Masse sortieren konnte. Aston trat mitten in dieses Problem ein und blieb sein Leben lang dabei.

Bis 1912 zeigte der Apparat in Cambridge etwas Seltsames bei Neon: Die Spur spaltete sich in zwei Teile auf, bei etwa Masse 20 und Masse 22. Das akzeptierte Atomgewicht von Neon war 20,2, eine Zahl, die für eine einzelne Atomsorte keinen Sinn ergab, für eine Mischung jedoch perfekt — etwa neun Teile Neon-20 auf einen Teil Neon-22. Aston nannte die schwerere Variante "Meta-Neon", ein Begriff, den er aus Occult Chemistry, einem theosophischen Text, entlehnte. Der Instinkt war richtig; das Vokabular stammte aus einem sehr seltsamen Regal.

Der Erste Weltkrieg unterbrach alles. Aston verbrachte ihn als technischer Assistent bei der Royal Aircraft Establishment in Farnborough und arbeitete an aeronautischen Beschichtungen — weit entfernt von Ionen im Vakuum.

Das Instrument

Er kehrte zum Cavendish zurück und stellte die Maschine fertig. Der erste Massenspektrograph wurde 1919 gemeldet. Das Prinzip war elegant: Elektrische Felder trieben einen Ionenstrahl durch eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern, die so angeordnet waren, dass leichtere Ionen stärker abgelenkt wurden als schwere, und die gesamte Familie eines Elements als Reihe getrennter Markierungen auf einer Fotoplatte landete. Da das Design Ionen gleicher Masse, aber unterschiedlicher Geschwindigkeit auf einen gemeinsamen Fokus brachte, waren die Markierungen Linien statt Unschärfen. Dies war das erste Sektorfeld-Massenspektrometer, und seine Auflösung war der eigentliche Punkt.

Aston tat dies noch zweimal, wobei jedes Instrument schärfer war als das letzte. Die Ergebnisse strömten hervor: mehr als fünfzig Isotope in sechs Jahren und 212 natürlich vorkommende Isotope im Laufe seiner Karriere. Er veröffentlichte 1922 Isotopes, einen kompakten 152-seitigen Bericht, und 1933 das erweiterte Werk Mass-Spectra and Isotopes.

Die Ganzzahlregel

Aus den Platten ergab sich eine Verallgemeinerung von erstaunlicher Tragweite. Unter der Annahme, dass die Masse des Sauerstoffisotops 16 beträgt, beobachtete Aston, dass alle anderen Isotope Massen hatten, die sehr nahe an ganzen Zahlen lagen. "Sehr nahe" war der Punkt, an dem sich die Physik versteckte: Wasserstoff kam etwa ein Prozent schwerer daher, als die Regel forderte, und diese Diskrepanz ist die Buchhaltung der Kernenergie. Bis 1936 spekulierte Aston öffentlich darüber, was man mit der fehlenden Masse anstellen könnte.

Die Royal Society wählte ihn 1921 zum Fellow, im selben Jahr, in dem er dem Internationalen Komitee für Atomgewichte beitrat. Der Nobelpreis für Chemie 1922 wurde ihm verliehen "für seine Entdeckung der Isotope mittels seines Massenspektrographen bei einer großen Anzahl nichtradioaktiver Elemente und für seine Enunziation der Ganzzahlregel". Die Paterno-Medaille folgte 1923. Er war Fellow des Trinity College, Cambridge.

Der Sportler auf der Finsternispfad

Der private Aston ist fast unglaublich. Er hat nie geheiratet und füllte den Raum mit Bewegung. Er betrieb Skilanglauf und Eislaufen bei regelmäßigen Besuchen in der Schweiz und in Norwegen und lernte während des Krieges Bergsteigen. Er baute 1902 seinen eigenen Verbrennungsmotor und erschien 1903 beim Gordon-Bennett-Autorennen in Irland. Er schwamm, spielte Golf — häufig mit Ernest Rutherford —, gewann Tennispreise in England, Wales und Irland und lernte 1909 in Honolulu surfen. Aus einer musikalischen Familie stammend, spielte er Klavier, Geige und Cello gut genug, um bei Konzerten in Cambridge aufzutreten.

Er war auch ein ernsthafter Fotograf mit dem Appetit eines Astronomen, der totale Sonnenfinsternisse auf der ganzen Welt jagte: Benkoeben 1925, Sumatra 1932, Magog in Kanada im August desselben Jahres, Kamishari auf Hokkaido 1936.

Warum Francis ein Genie genannt wird

Astons Anspruch beruht auf einer unmodischen Art von Geist: der instrumentellen Vorstellungskraft. Er leitete die Ganzzahlregel nicht aus der Theorie ab. Er baute eine Maschine, die zu einer Messung fähig war, die niemand sonst machen konnte, tat dies 212 Mal und las das Muster von den Platten ab. Die Nobel-Zitation ist in dieser Hinsicht präzise und sollte wörtlich genommen werden — sie ehrt "seine Entdeckung der Isotope mittels seines Massenspektrographen" und separat "seine Enunziation der Ganzzahlregel". Zwei Errungenschaften werden genannt, weil es zwei waren, und die zweite war nur möglich, weil die erste gut genug war. Seine Gabe war es zu erkennen, dass eine unscharfe Spur ein technisches Problem und kein Naturereignis war, und so lange zu verfeinern, bis sich die Unschärfe in Information auflöste.

Das Gegenargument ist real. Er hat die Technik nicht erfunden: Goldstein fand die positiven Strahlen 1886, Wien zeigte 1908, wie man sie ablenkt, und Thomson hatte das Neon-Ergebnis bereits vorliegen. Aston perfektionierte eine Abstammung, anstatt eine zu begründen. Er bot keine Erklärung dafür an, warum Isotope existieren, und sein frühes interpretatorisches Urteilsvermögen konnte schwach sein — der Mann, der ein Isotop nach einem theosophischen Traktat "Meta-Neon" nannte, arbeitete nicht nach theoretischen Grundprinzipien. Die verfügbaren Quellen verzeichnen keinen Zeitgenossen, der ihn als Genie bezeichnet hätte; sie loben eine Entdeckung und eine Regel. Das ist die ehrliche Gestalt der Sache. Was Aston besaß, war nicht konzeptionelle Kühnheit, sondern ein fast unmenschlicher Standard für die Vertrauenswürdigkeit einer Zahl, den er fünfundzwanzig Jahre lang ununterbrochen aufrechterhielt.

Vermächtnis

Er starb am 20. November 1945 im Alter von achtundsechzig Jahren in Cambridge, im ersten Jahr des Atomzeitalters, das seine Regel arithmetisch möglich gemacht hatte. Jedes Massenspektrometer in jedem Krankenhaus, jeder Raffinerie und jedem Geologie-Institut stammt von der Maschine ab, die er im Cavendish zusammenbaute. Es gibt einen Krater namens Aston auf dem Mond, und die British Mass Spectrometry Society verleiht jedes Jahr die Aston-Medaille. Der Brauer-Chemiker hatte das letzte Wort darüber, was Atome tatsächlich wiegen.