Francis William Aston: El hombre que pesó el átomo

En 1919, en el Laboratorio Cavendish, una placa fotográfica salió de su baño con una fila de líneas oscuras y nítidas donde la química había prometido una sola mancha. Las líneas significaban que el elemento en el tubo no era una sustancia, sino varias, cada una con su propio peso; que los ordenados pesos atómicos de todos los libros de texto eran promedios de una multitud. El hombre que construyó el instrumento había pasado sus veinte años analizando cerveza. En tres años obtuvo un Premio Nobel.

De las cubas de cerveza a los rayos catódicos

Aston fue el tercer hijo y segundo varón de William Aston y Fanny Charlotte Hollis, nacido el 1 de septiembre de 1877 en Harborne, un pueblo absorbido después por Birmingham. Asistió a la escuela Harborne Vicarage, fue interno en el Malvern College de Worcestershire y desde 1893 asistió al Mason College, entonces un colegio externo de la Universidad de Londres, estudiando física con John Henry Poynting y química con Frankland y Tilden. Desde 1896 dirigió su propia investigación en un laboratorio privado en la casa de su padre, trabajando en las propiedades ópticas de los compuestos de ácido tartárico.

Luego vino un desvío que parecería excéntrico en el currículum de cualquier físico moderno. Aston estudió química de la fermentación en la escuela cervecera de Birmingham y trabajó para W. Butler & Co. Brewery de 1900 a 1903. Los años industriales no fueron desperdiciados. La elaboración de cerveza es una disciplina de medición exacta y técnica escrupulosa, y Aston emergió como un experto práctico, el tipo de experimentador capaz de obtener un resultado de vidrio, alambre y vacío donde un teórico más inteligente fallaba.

Regresó a Birmingham en 1903 como asociado bajo Poynting y, con una beca universitaria, comenzó a investigar la corriente que atraviesa tubos llenos de gas. El trabajo de Aston aquí produjo el fenómeno que aún lleva su nombre, el espacio oscuro de Aston. Obtuvo su BSc en 1910 y su DSc en 1914. Tras la muerte de su padre y un viaje por el mundo en 1908, fue nombrado profesor en Birmingham en 1909.

El Cavendish y el rayo positivo

En 1910, J. J. Thomson lo invitó a Cambridge. El estudio de Thomson sobre los rayos catódicos ya había descubierto el electrón; había pasado a los haces cargados positivamente que Eugen Goldstein notó en 1886 y llamó Kanalstrahlen. Wilhelm Wien había demostrado en 1908 que la deflexión magnética, combinada con un campo eléctrico, podía clasificar los iones por la relación entre carga y masa. Aston entró en medio de ese problema y se quedó con él de por vida.

En 1912, el aparato de Cambridge mostraba algo extraño en el neón: la traza se dividía en dos, aproximadamente en masa 20 y masa 22. El peso atómico aceptado del neón era 20.2, un número que no tenía sentido para una sola especie de átomo y tenía perfecto sentido para una mezcla, aproximadamente nueve partes de neón-20 por una parte de neón-22. Aston llamó a la variante más pesada "meta-neón", un término que tomó de Occult Chemistry, un texto teosófico. El instinto era correcto; el vocabulario provenía de un estante muy extraño.

La Primera Guerra Mundial interrumpió todo. Aston la pasó como asistente técnico en el Royal Aircraft Establishment en Farnborough, trabajando en recubrimientos aeronáuticos, muy lejos de los iones en el vacío.

El instrumento

Regresó al Cavendish y terminó la máquina. El primer espectrógrafo de masas se reportó en 1919. El principio era elegante: los campos eléctricos impulsaban un haz de iones a través de una combinación de campos eléctricos y magnéticos dispuestos de modo que los iones más ligeros se doblaran más bruscamente que los pesados, y toda la familia de un elemento aterrizara como una fila de marcas separadas en una placa fotográfica. Debido a que el diseño llevaba iones de la misma masa pero diferentes velocidades a un foco común, las marcas eran líneas en lugar de borrones. Este fue el primer espectrómetro de masas de sector magnético, y su resolución era el objetivo principal.

Aston lo hizo dos veces más, cada instrumento más nítido que el anterior. Los resultados fluyeron: más de cincuenta isótopos en seis años y 212 isótopos naturales a lo largo de su carrera. Publicó Isotopes en 1922, un relato compacto de 152 páginas, y el ampliado Mass-Spectra and Isotopes en 1933.

La regla del número entero

De las placas surgió una generalización de alcance sorprendente. Tomando la masa del isótopo de oxígeno como 16, Aston observó que todos los demás isótopos tenían masas que eran casi números enteros. "Casi" era donde se escondía la física: el hidrógeno resultaba alrededor de un uno por ciento más pesado de lo que la regla exigía, y esa discrepancia es la contabilidad de la energía nuclear. En 1936, Aston especulaba en público sobre lo que se podría hacer con la masa faltante.

La Royal Society lo eligió miembro en 1921, el mismo año en que se unió al Comité Internacional de Pesos Atómicos. El Premio Nobel de Química de 1922 llegó "por su descubrimiento, mediante su espectrógrafo de masas, de isótopos, en un gran número de elementos no radiactivos, y por su enunciación de la regla de los números enteros". La Medalla Paterno siguió en 1923. Fue miembro del Trinity College, Cambridge.

El deportista en la ruta del eclipse

El Aston privado es casi inverosímil. Nunca se casó y llenó el espacio con movimiento. Practicó esquí de fondo y patinaje en visitas regulares a Suiza y Noruega, y aprendió montañismo durante la guerra. Construyó su propio motor de combustión en 1902 y apareció en la carrera automovilística Gordon Bennett en Irlanda en 1903. Nadó, jugó al golf (frecuentemente con Ernest Rutherford), ganó premios de tenis en Inglaterra, Gales e Irlanda, y aprendió a surfear en Honolulu en 1909. De una familia musical, tocaba el piano, el violín y el violonchelo lo suficientemente bien como para actuar en conciertos de Cambridge.

También fue un fotógrafo serio con el apetito de un astrónomo, persiguiendo eclipses solares totales por todo el mundo: Benkoeben en 1925, Sumatra en 1932, Magog en Canadá ese agosto, Kamishari en Hokkaido en 1936.

Por qué a Francis se le llama genio

La afirmación sobre Aston descansa en un tipo de mente poco común: la imaginación instrumental. No derivó la regla del número entero de la teoría. Construyó una máquina capaz de una medición que nadie podía hacer, la hizo 212 veces y leyó el patrón en las placas. La cita del Nobel es precisa al respecto y vale la pena tomarla literalmente: honra "su descubrimiento, mediante su espectrógrafo de masas" y, por separado, "su enunciación de la regla de los números enteros". Se nombran dos logros porque fueron dos, y el segundo solo fue posible porque el primero era lo suficientemente bueno. Su don fue ver que una traza borrosa era un problema de ingeniería en lugar de un hecho de la naturaleza, y refinar hasta que el desenfoque se resolviera en información.

El contraargumento es real. No originó la técnica: Goldstein encontró los rayos positivos en 1886, Wien mostró cómo desviarlos en 1908 y Thomson tenía el resultado del neón en la mano. Aston perfeccionó un linaje en lugar de fundar uno. No ofreció ninguna explicación de por qué existen los isótopos, y su juicio interpretativo inicial podía ser pobre; el hombre que llamó a un isótopo "meta-neón" después de un texto teosófico no trabajaba a partir de principios teóricos fundamentales. Las fuentes disponibles no registran a ningún contemporáneo llamándolo genio; elogian un descubrimiento y una regla. Esa es la forma honesta de verlo. Lo que Aston tenía no era audacia conceptual, sino un estándar casi inhumano para la fiabilidad de un número, mantenido sin cesar durante veinticinco años.

Legado

Murió en Cambridge el 20 de noviembre de 1945, a los sesenta y ocho años, en el primer año de la era nuclear que su regla había ayudado a hacer aritméticamente posible. Cada espectrómetro de masas en cada hospital, refinería y departamento de geología desciende de la máquina que ensambló en el Cavendish. Hay un cráter llamado Aston en la Luna, y la British Mass Spectrometry Society entrega la Medalla Aston cada año. El químico cervecero tuvo la última palabra sobre cuánto pesan realmente los átomos.