Francis William Aston : L'homme qui a pesé l'atome

En 1919, au laboratoire Cavendish, une plaque photographique sortit de son bain, portant une rangée de lignes sombres et nettes là où la chimie avait promis une simple tache. Ces lignes signifiaient que l'élément dans le tube n'était pas une substance, mais plusieurs, chacune ayant son propre poids — que les poids atomiques bien ordonnés de chaque manuel étaient des moyennes d'une foule. L'homme qui a construit l'instrument avait passé sa vingtaine à analyser la bière. En trois ans, il a obtenu un prix Nobel.

Des cuves de brasserie aux rayons cathodiques

Aston était le troisième enfant et le deuxième fils de William Aston et Fanny Charlotte Hollis, né le 1er septembre 1877 à Harborne, un village depuis absorbé par Birmingham. Il a fréquenté la Harborne Vicarage School, a été pensionnaire au Malvern College dans le Worcestershire, et à partir de 1893 a fréquenté le Mason College — alors un collège externe de l'Université de Londres — suivant des cours de physique sous John Henry Poynting et de chimie sous Frankland et Tilden. À partir de 1896, il a mené ses propres recherches dans un laboratoire privé chez son père, s'inquiétant des propriétés optiques des composés de l'acide tartrique.

Puis vint un détour qui semblerait excentrique sur le CV de n'importe quel physicien moderne. Aston a étudié la chimie de la fermentation à l'école de brasserie de Birmingham et a travaillé pour W. Butler & Co. Brewery de 1900 à 1903. Ces années industrielles n'ont pas été perdues. Le brassage est une discipline de mesure exacte et de technique scrupuleuse, et Aston est devenu un superbe praticien — le genre d'expérimentateur capable d'obtenir un résultat à partir de verre, de fil et de vide là où un théoricien plus habile échouait.

Il est retourné à Birmingham en 1903 en tant qu'associé sous Poynting et, grâce à une bourse universitaire, a commencé à étudier le courant traversant des tubes remplis de gaz. Le travail d'Aston ici a produit le phénomène qui porte encore son nom, l'espace sombre d'Aston. Il a obtenu son BSc en 1910 et son DSc en 1914. Après la mort de son père et un tour du monde en 1908, il a été nommé maître de conférences à Birmingham en 1909.

Le Cavendish et le rayon positif

En 1910, J. J. Thomson l'a invité à Cambridge. L'étude de Thomson sur les rayons cathodiques avait déjà révélé l'électron ; il était passé aux faisceaux chargés positivement qu'Eugen Goldstein avait remarqués en 1886 et appelés Kanalstrahlen. Wilhelm Wien avait montré en 1908 que la déflexion magnétique, combinée à un champ électrique, pouvait trier les ions selon le rapport charge/masse. Aston est arrivé au milieu de ce problème et y est resté toute sa vie.

En 1912, l'appareil de Cambridge montrait quelque chose d'étrange dans le néon : la trace se divisait en deux, à environ 20 et 22 de masse. Le poids atomique accepté du néon était de 20,2, un chiffre qui n'avait aucun sens pour une seule espèce d'atome et un sens parfait pour un mélange — environ neuf parts de néon-20 pour une part de néon-22. Aston a appelé la variante la plus lourde « méta-néon », un terme qu'il a tiré de Occult Chemistry, un texte théosophique. L'instinct était bon ; le vocabulaire venait d'une étagère très étrange.

La Première Guerre mondiale a tout interrompu. Aston l'a passée comme assistant technique au Royal Aircraft Establishment à Farnborough, travaillant sur les revêtements aéronautiques — loin des ions dans le vide.

L'instrument

Il est retourné au Cavendish et a terminé la machine. Le premier spectrographe de masse a été rapporté en 1919. Le principe était élégant : les champs électriques propulsaient un faisceau d'ions à travers une combinaison de champs électriques et magnétiques disposés de telle sorte que les ions plus légers se courbaient plus brusquement que les lourds, et toute la famille d'un élément atterrissait sous forme d'une rangée de marques distinctes sur une plaque photographique. Parce que la conception ramenait les ions de même masse mais de vitesses différentes vers un foyer commun, les marques étaient des lignes plutôt que des flous. C'était le premier spectromètre de masse à secteur magnétique, et sa résolution était tout l'intérêt.

Aston a ensuite réitéré l'opération deux fois de plus, chaque instrument étant plus précis que le précédent. Les résultats ont afflué : plus de cinquante isotopes en six ans, et 212 isotopes naturels au cours de sa carrière. Il a publié Isotopes en 1922, un compte-rendu compact de 152 pages, et l'ouvrage élargi Mass-Spectra and Isotopes en 1933.

La règle des nombres entiers

Des plaques est née une généralisation d'une portée surprenante. Prenant la masse de l'isotope de l'oxygène comme 16, Aston a observé que tous les autres isotopes avaient des masses qui étaient très proches de nombres entiers. « Très proches » était là où la physique se cachait : l'hydrogène était environ un pour cent plus lourd que ce que la règle exigeait, et cette divergence est la comptabilité de l'énergie nucléaire. En 1936, Aston spéculait publiquement sur ce que l'on pourrait faire de la masse manquante.

La Royal Society l'a élu membre en 1921, l'année même où il a rejoint le Comité international des poids atomiques. Le prix Nobel de chimie de 1922 est arrivé « pour sa découverte, au moyen de son spectrographe de masse, d'isotopes, dans un grand nombre d'éléments non radioactifs, et pour son énonciation de la règle des nombres entiers ». La médaille Paterno a suivi en 1923. Il était membre du Trinity College de Cambridge.

Le sportif sur la piste de l'éclipse

L'Aston privé est presque invraisemblable. Il ne s'est jamais marié et a rempli l'espace avec du mouvement. Il faisait du ski de fond et du patinage lors de visites régulières en Suisse et en Norvège, et a appris l'alpinisme pendant la guerre. Il a construit son propre moteur à combustion en 1902 et s'est présenté à la course automobile Gordon Bennett en Irlande en 1903. Il nageait, jouait au golf — fréquemment avec Ernest Rutherford — a remporté des prix de tennis en Angleterre, au Pays de Galles et en Irlande, et a appris à surfer à Honolulu en 1909. Issu d'une famille de musiciens, il jouait du piano, du violon et du violoncelle assez bien pour se produire lors de concerts à Cambridge.

Il était aussi un photographe sérieux avec l'appétit d'un astronome, poursuivant les éclipses solaires totales à travers le monde : Benkoeben en 1925, Sumatra en 1932, Magog au Canada en août de cette année-là, Kamishari sur Hokkaido en 1936.

Pourquoi Francis est qualifié de génie

La prétention d'Aston repose sur un type d'esprit peu à la mode : l'imagination instrumentale. Il n'a pas dérivé la règle des nombres entiers à partir de la théorie. Il a construit une machine capable d'une mesure que personne ne pouvait faire, l'a fait 212 fois et a lu le motif sur les plaques. La citation du prix Nobel est précise à ce sujet et mérite d'être prise littéralement — elle honore « sa découverte, au moyen de son spectrographe de masse » et séparément « son énonciation de la règle des nombres entiers ». Deux réalisations sont nommées parce qu'il y en avait deux, et la seconde n'a été possible que parce que la première était assez bonne. Son don était de voir qu'une trace floue était un problème d'ingénierie plutôt qu'un fait de la nature, et de raffiner jusqu'à ce que le flou se résolve en information.

Le contre-argument est réel. Il n'a pas inventé la technique : Goldstein a trouvé les rayons positifs en 1886, Wien a montré comment les défléchir en 1908, et Thomson avait le résultat du néon en main. Aston a perfectionné une lignée plutôt que d'en fonder une. Il n'a offert aucune explication sur la raison pour laquelle les isotopes existent, et son jugement interprétatif initial pouvait être médiocre — l'homme qui a appelé un isotope « méta-néon » d'après un texte théosophique ne travaillait pas à partir de premiers principes théoriques. Les sources disponibles n'enregistrent aucun contemporain l'appelant un génie ; ils louent une découverte et une règle. C'est la forme honnête de la chose. Ce qu'Aston possédait, ce n'était pas de l'audace conceptuelle, mais une norme presque inhumaine pour la fiabilité d'un nombre, maintenue sans relâche pendant vingt-cinq ans.

Héritage

Il est mort à Cambridge le 20 novembre 1945, à l'âge de soixante-huit ans, la première année de l'ère nucléaire que sa règle avait aidé à rendre arithmétiquement possible. Chaque spectromètre de masse dans chaque hôpital, raffinerie et département de géologie descend de la machine qu'il a assemblée au Cavendish. Il y a un cratère nommé Aston sur la Lune, et la British Mass Spectrometry Society décerne la médaille Aston chaque année. Le chimiste brasseur a eu le dernier mot sur ce que pèsent réellement les atomes.