פרנסיס ויליאם אסטון: האיש ששקל את האטום
בשנת 1919, במעבדת קוונדיש (Cavendish Laboratory), לוח צילום יצא מהאמבט הכימי כשהוא נושא שורה של קווים כהים וחדים במקום שבו הכימיה הבטיחה מריחה אחת בלבד. הקווים העידו כי היסוד בצינור אינו חומר אחד אלא כמה, שלכל אחד מהם משקל משלו — ושהמשקלים האטומים המסודרים בכל ספרי הלימוד היו רק ממוצעים של קבוצה. האיש שבנה את המכשיר בילה את שנות העשרים שלו בניתוח בירה. תוך שלוש שנים הוא זכה בפרס נובל.
ממכלי מבשלה לקרניים קתודיות
אסטון היה הילד השלישי והבן השני של ויליאם אסטון ופאני שרלוט הוליס, שנולד ב-1 בספטמבר 1877 בהרבורן, כפר שנבלע מאז על ידי ברמינגהאם. הוא למד בבית הספר הרבורן ויקארג' (Harborne Vicarage School), למד בפנימייה במכללת מלוורן (Malvern College) בווסטרשייר, והחל מ-1893 למד במכללת מייסון (Mason College) — אז מכללה חיצונית של אוניברסיטת לונדון — שם למד פיזיקה אצל ג'ון הנרי פוינטינג (John Henry Poynting) וכימיה אצל פרנקלנד וטילדן. משנת 1896 ניהל מחקר עצמאי במעבדה פרטית בבית אביו, כשהוא חוקר את התכונות האופטיות של תרכובות חומצה טרטרית.
אז הגיעה סטייה מהמסלול שתיראה אקסצנטרית בקורות החיים של כל פיזיקאי מודרני. אסטון למד כימיה של תסיסה בבית הספר לבישול של ברמינגהאם ועבד עבור מבשלת W. Butler & Co. בין השנים 1900 ל-1903. השנים בתעשייה לא היו לשווא. מבשלת בירה היא משמעת של מדידה מדויקת וטכניקה קפדנית, ואסטון הפך לבעל ידיים טכניות מעולות — מסוג הנסיינים שיכלו להפיק תוצאה מזכוכית, חוטים וריק במקום שבו תיאורטיקן פיקח יותר נכשל.
הוא חזר לברמינגהאם ב-1903 כעמית תחת פוינטינג ו, במלגת אוניברסיטה, החל לחקור את הזרם העובר דרך צינורות מלאי גז. עבודתו של אסטון הניבה כאן את התופעה שעדיין נושאת את שמו, "החלל הכהה של אסטון" (Aston dark space). הוא קיבל תואר ראשון ב-1910 ותואר דוקטור ב-1914. לאחר מות אביו ומסע עולמי ב-1908, הוא מונה למרצה בברמינגהאם ב-1909.
מעבדת קוונדיש והקרניים החיוביות
בשנת 1910, ג'. ג'. תומסון (J. J. Thomson) הזמין אותו לקיימברידג'. מחקרו של תומסון על קרניים קתודיות כבר גילה את האלקטרון; הוא עבר לקרניים טעונות חיובית שאויגן גולדשטיין (Eugen Goldstein) הבחין בהן ב-1886 וכינה אותן Kanalstrahlen (קרני תעלה). וילהלם וין (Wilhelm Wien) הראה ב-1908 כי סטייה מגנטית, בשילוב עם שדה חשמלי, יכולה למיין יונים לפי יחס המטען למסה. אסטון נכנס ללב הבעיה הזו ונשאר איתה לכל חייו.
עד 1912 המכשיר בקיימברידג' הראה משהו מוזר בניאון: העקבות התפצלו לשניים, בערך במסה 20 ובמסה 22. המשקל האטומי המקובל של הניאון היה 20.2, מספר שלא היה לו היגיון עבור סוג יחיד של אטום והיגיון מושלם עבור תערובת — בערך תשעה חלקים של ניאון-20 לחלק אחד של ניאון-22. אסטון כינה את הגרסה הכבדה יותר "מטא-ניאון", מונח שהשאיל מתוך כימיה נסתרת (Occult Chemistry), טקסט תיאוסופי. האינסטינקט היה נכון; אוצר המילים הגיע ממדף מוזר מאוד.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →מלחמת העולם הראשונה קטעה הכל. אסטון בילה אותה כעוזר טכני בממסד המטוסים המלכותי (Royal Aircraft Establishment) בפארנבורו, ועבד על ציפויים אווירונאוטיים — רחוק מאוד מיונים בריק.
המכשיר
הוא חזר לקוונדיש וסיים את המכשיר. ספקטרוגרף המסות הראשון דווח בשנת 1919. העיקרון היה אלגנטי: שדות חשמליים הניעו אלומת יונים דרך שילוב של שדות חשמליים ומגנטיים המסודרים כך שיונים קלים יותר התכופפו בחדות רבה יותר מאשר כבדים, וכל משפחת היסודות נחתה כשורה של סימנים נפרדים על לוח צילום. מכיוון שהעיצוב הביא יונים בעלי אותה מסה אך מהירויות שונות חזרה למוקד משותף, הסימנים היו קווים ולא טשטושים. זה היה ספקטרומטר המסות הראשון מסוג שדה מגזרי, והרזולוציה שלו הייתה כל העניין.
אסטון עשה זאת פעמיים נוספות, כל מכשיר חד יותר מקודמו. התוצאות נשפכו: יותר מחמישים איזוטופים בשש שנים, ו-212 איזוטופים המופיעים בטבע לאורך הקריירה שלו. הוא פרסם את איזוטופים (Isotopes) ב-1922, סקירה קומפקטית של 152 עמודים, ואת המורחב ספקטרומטריית מסות ואיזוטופים (Mass-Spectra and Isotopes) ב-1933.
חוק המספר השלם
מהלוחות יצאה הכללה בעלת טווח מדהים. כשלקח את מסת איזוטופ החמצן כ-16, אסטון הבחין כי לכל שאר האיזוטופים היו מסות שהיו כמעט מספרים שלמים. "כמעט" היה המקום שבו הפיזיקה הסתתרה: מימן הגיע כבד בכאחוז ממה שהחוק דרש, והפער הזה הוא החשבונאות של האנרגיה הגרעינית. עד 1936 אסטון שיער בציבור מה עשוי להיעשות עם המסה החסרה.
החברה המלכותית בחרה בו כעמית בשנת 1921, באותה שנה הצטרף לוועדה הבינלאומית למשקלים אטומיים. פרס נובל לכימיה לשנת 1922 הגיע "עבור גילויו, באמצעות ספקטרוגרף המסות שלו, של איזוטופים, במספר גדול של יסודות לא רדיואקטיביים, ועבור ניסוח חוק המספר השלם". מדליית פטרנו (Paterno Medal) הגיעה ב-1923. הוא היה עמית של טריניטי קולג', קיימברידג'.
הספורטאי במסלול הליקויים
דמותו הפרטית של אסטון כמעט בלתי נתפסת. הוא מעולם לא נישא, ומילא את החלל בתנועה. הוא עסק בסקי למרחקים ובהחלקה על הקרח בביקורים קבועים בשווייץ ובנורווגיה, ולמד טיפוס הרים במהלך המלחמה. הוא בנה מנוע בעירה פנימית משלו ב-1902 והופיע במרוץ המכוניות גורדון בנט (Gordon Bennett) באירלנד ב-1903. הוא שחה, שיחק גולף — לעיתים קרובות עם ארנסט רתרפורד (Ernest Rutherford) — זכה בפרסי טניס באנגליה, ויילס ואירלנד, ולמד לגלוש בהונולולו ב-1909. ממשפחה מוזיקלית, הוא ניגן בפסנתר, כינור וצ'לו מספיק טוב כדי להופיע בקונצרטים בקיימברידג'.
הוא היה גם צלם רציני עם תיאבון של אסטרונום, שרדף אחרי ליקויי חמה מלאים ברחבי העולם: בנקובן ב-1925, סומטרה ב-1932, מגוג בקנדה באוגוסט ההוא, קמישארי בהוקאידו ב-1936.
מדוע פרנסיס מכונה גאון
טענתו של אסטון נשענת על סוג לא אופנתי של מוח: הדמיון האינסטרומנטלי. הוא לא גזר את חוק המספר השלם מתיאוריה. הוא בנה מכונה המסוגלת למדידה שאף אחד לא יכול היה לעשות, עשה זאת 212 פעמים, וקרא את הדפוס מהלוחות. הציטוט של נובל מדויק לגבי זה ושווה לקחת אותו כפשוטו — הוא מכבד "את גילויו, באמצעות ספקטרוגרף המסות שלו", ובנפרד "את ניסוח חוק המספר השלם". שני הישגים נקראים כי היו שניים, והשני היה אפשרי רק כי הראשון היה מספיק טוב. המתנה שלו הייתה לראות שעקבות מטושטשים הם בעיה הנדסית ולא עובדת טבע, ולזקק עד שהטשטוש התבהר למידע.
מקרה הנגד הוא אמיתי. הוא לא המציא את הטכניקה: גולדשטיין מצא את הקרניים החיוביות ב-1886, וין הראה כיצד להטות אותן ב-1908, ולתומסון הייתה את תוצאת הניאון ביד. אסטון שכלל שושלת במקום לייסד אחת. הוא לא הציע שום הסבר למדוע איזוטופים קיימים, ושיקול דעתו הפרשני המוקדם יכול היה להיות גרוע — האיש שכינה איזוטופ "מטא-ניאון" אחרי חיבור תיאוסופי לא עבד מעקרונות תיאורטיים ראשונים. המקורות הזמינים אינם מתעדים בן זמננו שכינה אותו גאון; הם משבחים תגלית וחוק. זו הצורה הכנה של העניין. מה שהיה לאסטון לא היה תעוזה מושגית אלא סטנדרט לא אנושי כמעט לאמינותו של מספר, שהוחזק ללא הרף במשך עשרים וחמש שנים.
מורשת
הוא מת בקיימברידג' ב-20 בנובמבר 1945, בן שישים ושמונה, בשנה הראשונה של העידן הגרעיני שהחוק שלו עזר להפוך לאפשרי אריתמטית. כל ספקטרומטר מסות בכל בית חולים, בית זיקוק ומחלקה גיאולוגית יורד מהמכונה שהרכיב בקוונדיש. יש מכתש בשם אסטון על הירח, והחברה הבריטית לספקטרומטריית מסות מעניקה את מדליית אסטון בכל שנה. הכימאי של המבשלה קיבל את המילה האחרונה על מה שהאטומים באמת שוקלים.