फ्रांसिस विलियम एस्टन: वह व्यक्ति जिसने परमाणु का वजन किया

1919 में, कैवेंडिश प्रयोगशाला में, एक फोटोग्राफिक प्लेट को बाथ से निकाला गया, जिस पर काले रंग की सीधी रेखाएं बनी थीं, जबकि रसायन विज्ञान ने केवल एक धुंधली सी छाप का वादा किया था। इन रेखाओं का मतलब था कि ट्यूब में मौजूद तत्व कोई एक पदार्थ नहीं था बल्कि कई पदार्थ थे, जिनमें से प्रत्येक का अपना वजन था — और हर पाठ्यपुस्तक में दिए गए साफ-सुथरे परमाणु भार वास्तव में एक समूह का औसत थे। जिस व्यक्ति ने इस उपकरण का निर्माण किया, उसने अपनी बीसवीं सदी के दशक का समय बीयर के विश्लेषण में बिताया था। तीन साल के भीतर उसे नोबेल पुरस्कार मिल गया।

ब्रुअरी वैट से कैथोड किरणों तक

एस्टन, विलियम एस्टन (William Aston) और फैनी चार्लोट हॉलिस (Fanny Charlotte Hollis) की तीसरी संतान और दूसरे पुत्र थे, जिनका जन्म 1 सितंबर 1877 को हारबोर्न (Harborne) में हुआ था, जो बाद में बर्मिंघम में विलीन हो गया था। उन्होंने हारबोर्न विकरेज स्कूल में शिक्षा प्राप्त की, वॉर्सेस्टरशायर के मालवर्न कॉलेज (Malvern College) में बोर्डिंग की, और 1893 से मेसन कॉलेज (Mason College) में दाखिला लिया — जो तब लंदन विश्वविद्यालय का एक बाहरी कॉलेज था — जहां उन्होंने जॉन हेनरी पोयंटिंग (John Henry Poynting) के अधीन भौतिकी और फ्रैंकलैंड (Frankland) तथा टिल्डेन (Tilden) के अधीन रसायन विज्ञान का अध्ययन किया। 1896 से उन्होंने अपने पिता के घर की एक निजी प्रयोगशाला से अपना शोध शुरू किया, जहाँ वे टार्टरिक एसिड यौगिकों के ऑप्टिकल गुणों का अध्ययन करते थे।

फिर एक ऐसा मोड़ आया जो किसी भी आधुनिक भौतिक विज्ञानी के रिज्यूमे में अजीब लग सकता है। एस्टन ने बर्मिंघम के ब्रूइंग स्कूल में किण्वन रसायन (fermentation chemistry) का अध्ययन किया और 1900 से 1903 तक डब्लू. बटलर एंड कंपनी (W. Butler & Co.) ब्रुअरी में काम किया। औद्योगिक वर्ष बेकार नहीं गए। ब्रूइंग सटीक माप और सूक्ष्म तकनीक का अनुशासन है, और एस्टन एक शानदार व्यावहारिक विशेषज्ञ बनकर उभरे — वे ऐसे प्रयोगकर्ता थे जो कांच, तार और वैक्यूम से परिणाम निकाल सकते थे जहाँ एक चतुर सिद्धांतवादी विफल हो जाता था।

वे 1903 में पोयंटिंग के अधीन एक सहयोगी के रूप में बर्मिंघम लौट आए और एक विश्वविद्यालय छात्रवृत्ति पर, गैस से भरी ट्यूबों के माध्यम से गुजरने वाली धारा की जांच शुरू की। एस्टन का काम यहाँ उस घटना का कारण बना जो अभी भी उनका नाम वहन करती है, 'एस्टन डार्क स्पेस' (Aston dark space)। उन्होंने 1910 में अपनी बीएससी और 1914 में डीएससी की उपाधि प्राप्त की। अपने पिता की मृत्यु और 1908 में विश्व दौरे के बाद, उन्हें 1909 में बर्मिंघम में व्याख्याता नियुक्त किया गया।

कैवेंडिश और पॉजिटिव रे

1910 में, जे. जे. थॉमसन (J. J. Thomson) ने उन्हें कैम्ब्रिज आने के लिए आमंत्रित किया। थॉमसन के कैथोड किरणों के अध्ययन ने पहले ही इलेक्ट्रॉन का पता लगा लिया था; वे उन धनावेशित बीमों (positively charged beams) की ओर बढ़ गए थे जिन्हें यूजेन गोल्डस्टीन (Eugen Goldstein) ने 1886 में देखा था और 'केनालस्ट्राहलेन' (Kanalstrahlen) नाम दिया था। विल्हेम वीन (Wilhelm Wien) ने 1908 में दिखाया था कि चुंबकीय विक्षेपण, विद्युत क्षेत्र के साथ मिलकर, आवेश से द्रव्यमान के अनुपात के आधार पर आयनों को छाँट सकता है। एस्टन उस समस्या के बीच में चले गए और जीवन भर उसके साथ रहे।

1912 तक कैम्ब्रिज का उपकरण नियॉन में कुछ अजीब दिखा रहा था: निशान लगभग द्रव्यमान 20 और द्रव्यमान 22 पर दो भागों में बंट गया। नियॉन का स्वीकृत परमाणु भार 20.2 था, एक ऐसी संख्या जो परमाणु की एक एकल प्रजाति के लिए कोई अर्थ नहीं रखती थी लेकिन मिश्रण के लिए बिल्कुल सही थी — लगभग नौ भाग नियॉन-20 और एक भाग नियॉन-22। एस्टन ने भारी प्रकार को 'मेटा-नियॉन' (meta-neon) नाम दिया, एक शब्द जिसे उन्होंने ओकल्ट केमिस्ट्री (Occult Chemistry) से लिया था, जो एक थियोसोफिकल पाठ है। वृत्ति सही थी; शब्दावली एक बहुत ही अजीब शेल्फ से आई थी।

प्रथम विश्व युद्ध ने सब कुछ बाधित कर दिया। एस्टन ने इसे फ़ार्नबोरो (Farnborough) में रॉयल एयरक्राफ्ट एस्टेब्लिशमेंट में एक तकनीकी सहायक के रूप में बिताया, जहाँ उन्होंने वैमानिकी कोटिंग्स पर काम किया — वैक्यूम में आयनों से बहुत दूर।

उपकरण

वे कैवेंडिश लौट आए और मशीन पूरी की। पहला मास स्पेक्ट्रोग्राफ 1919 में रिपोर्ट किया गया था। सिद्धांत सुंदर था: विद्युत क्षेत्र ने आयनों की एक बीम को विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के संयोजन के माध्यम से संचालित किया, जिसे इस तरह व्यवस्थित किया गया था कि हल्के आयन भारी आयनों की तुलना में अधिक तीव्रता से मुड़ें, और एक तत्व का पूरा परिवार फोटोग्राफिक प्लेट पर अलग-अलग निशानों की एक पंक्ति के रूप में उतर जाए। चूंकि डिजाइन एक ही द्रव्यमान लेकिन अलग-अलग गति वाले आयनों को एक सामान्य फोकस पर वापस ले आया, इसलिए निशान धुंधले होने के बजाय रेखाएं बन गए। यह पहला सेक्टर-फील्ड मास स्पेक्ट्रोमीटर था, और इसका रिज़ॉल्यूशन ही इसका पूरा बिंदु था।

एस्टन ने फिर इसे दो बार और किया, प्रत्येक उपकरण पिछले वाले से अधिक स्पष्ट था। परिणाम निकलते रहे: छह वर्षों में पचास से अधिक समस्थानिक, और अपने करियर में 212 प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले समस्थानिक। उन्होंने 1922 में आइसोटोप्स (Isotopes) प्रकाशित किया, जो 152-पृष्ठों का एक संक्षिप्त विवरण था, और 1933 में विस्तारित मास-स्पेक्ट्रा एंड आइसोटोप्स (Mass-Spectra and Isotopes) प्रकाशित किया।

पूर्ण संख्या नियम

प्लेटों से एक आश्चर्यजनक पहुंच का सामान्यीकरण निकला। ऑक्सीजन समस्थानिक के द्रव्यमान को 16 मानकर, एस्टन ने देखा कि अन्य सभी समस्थानिकों के द्रव्यमान लगभग पूर्ण संख्या थे। 'लगभग' वहीं था जहाँ भौतिकी छिप गई थी: हाइड्रोजन नियम द्वारा मांगे गए द्रव्यमान से लगभग एक प्रतिशत भारी था, और वह विसंगति परमाणु ऊर्जा का हिसाब है। 1936 तक एस्टन सार्वजनिक रूप से यह अटकलें लगा रहे थे कि लापता द्रव्यमान से क्या किया जा सकता है।

रॉयल सोसाइटी ने 1921 में उन्हें फेलो चुना, उसी वर्ष वे परमाणु भार पर अंतर्राष्ट्रीय समिति में शामिल हुए। 1922 का रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार उन्हें "अपने मास स्पेक्ट्रोग्राफ के माध्यम से, बड़ी संख्या में गैर-रेडियोधर्मी तत्वों में समस्थानिकों की खोज और पूर्ण-संख्या नियम की घोषणा के लिए" मिला। 1923 में पैटरनो मेडल (Paterno Medal) मिला। वे कैम्ब्रिज के ट्रिनिटी कॉलेज के फेलो थे।

ग्रहण पथ पर खिलाड़ी

निजी एस्टन लगभग अविश्वसनीय हैं। उन्होंने कभी शादी नहीं की, और खाली जगह को गति से भर दिया। उन्होंने स्विट्जरलैंड और नॉर्वे की नियमित यात्राओं पर क्रॉस-कंट्री स्कीइंग की और स्केटिंग की, और युद्ध के दौरान पर्वतारोहण सीखा। उन्होंने 1902 में अपना दहन इंजन बनाया और 1903 में आयरलैंड में गॉर्डन बेनेट मोटर रेस (Gordon Bennett motor race) में दिखाई दिए। उन्होंने तैराकी की, गोल्फ खेला — अक्सर अर्नेस्ट रदरफोर्ड के साथ — इंग्लैंड, वेल्स और आयरलैंड में टेनिस पुरस्कार जीते, और 1909 में होनोलूलू में सर्फिंग करना सीखा। एक संगीत प्रेमी परिवार से होने के कारण, वे पियानो, वायलिन और सेलो बजाते थे, इतना अच्छा कि कैम्ब्रिज संगीत समारोहों में प्रदर्शन कर सकें।

वे एक खगोलशास्त्री की भूख वाले एक गंभीर फोटोग्राफर भी थे, जो दुनिया भर में पूर्ण सूर्य ग्रहण का पीछा करते थे: 1925 में बेंकोएबेन (Benkoeben), 1932 में सुमात्रा, उस अगस्त में कनाडा में मैगोग (Magog), 1936 में होक्काइडो में कामिशारी (Kamishari)।

फ्रांसिस को प्रतिभाशाली क्यों कहा जाता है

एस्टन का दावा एक गैर-फैशनेबल प्रकार के दिमाग पर टिका है: वाद्य कल्पना। उन्होंने सिद्धांत से पूर्ण संख्या नियम प्राप्त नहीं किया। उन्होंने एक ऐसे उपकरण का निर्माण किया जो ऐसा माप करने में सक्षम था जो कोई नहीं कर सकता था, इसे 212 बार बनाया, और प्लेटों से पैटर्न पढ़ा। नोबेल प्रशस्ति पत्र इस बारे में सटीक है और इसे शाब्दिक रूप से लिया जाना चाहिए — यह "अपने मास स्पेक्ट्रोग्राफ के माध्यम से उनकी खोज" और अलग से "पूर्ण संख्या नियम की उनकी घोषणा" का सम्मान करता है। दो उपलब्धियों का नाम इसलिए दिया गया है क्योंकि वे दो थीं, और दूसरी केवल इसलिए संभव थी क्योंकि पहली पर्याप्त अच्छी थी। उनका उपहार यह देखना था कि एक धुंधला निशान प्रकृति का तथ्य होने के बजाय एक इंजीनियरिंग समस्या थी, और इसे तब तक परिष्कृत करना था जब तक कि धुंधलापन जानकारी में बदल न जाए।

काउंटर-केस वास्तविक है। उन्होंने तकनीक की शुरुआत नहीं की: गोल्डस्टीन ने 1886 में पॉजिटिव रे (धनात्मक किरणें) पाईं, वीन ने 1908 में दिखाया कि उन्हें कैसे विक्षेपित किया जाए, और थॉमसन के पास नियॉन का परिणाम हाथ में था। एस्टन ने एक वंशावली को पूर्ण किया, न कि उसकी स्थापना की। उन्होंने कोई स्पष्टीकरण नहीं दिया कि समस्थानिक क्यों मौजूद हैं, और उनका प्रारंभिक व्याख्यात्मक निर्णय कमजोर हो सकता था — जिस व्यक्ति ने एक थियोसोफिकल पाठ के बाद एक समस्थानिक का नाम "मेटा-नियॉन" रखा था, वह सैद्धांतिक प्रथम सिद्धांतों से काम नहीं कर रहा था। उपलब्ध स्रोत किसी समकालीन का उल्लेख नहीं करते जो उन्हें प्रतिभाशाली कहता हो; वे एक खोज और एक नियम की प्रशंसा करते हैं। यह इसका ईमानदार रूप है। एस्टन के पास वैचारिक साहस नहीं था, बल्कि संख्या की विश्वसनीयता के लिए एक लगभग अमानवीय मानक था, जिसे पच्चीस वर्षों तक बिना किसी रुकावट के बनाए रखा गया था।

विरासत

उनका निधन 20 नवंबर 1945 को कैम्ब्रिज में 68 वर्ष की आयु में हुआ, उस परमाणु युग के पहले वर्ष में जिसे उनके नियम ने अंकगणितीय रूप से संभव बनाने में मदद की थी। प्रत्येक अस्पताल, रिफाइनरी और भूविज्ञान विभाग में हर मास स्पेक्ट्रोमीटर उस मशीन से निकला है जिसे उन्होंने कैवेंडिश में इकट्ठा किया था। चंद्रमा पर एस्टन नाम का एक गड्ढा है, और ब्रिटिश मास स्पेक्ट्रोमेट्री सोसाइटी हर साल एस्टन मेडल देती है। ब्रुअर के रसायनज्ञ को इस बात पर अंतिम शब्द मिला कि परमाणु वास्तव में क्या वजन रखते हैं।