Francis William Aston: L'uomo che ha pesato l'atomo

Nel 1919, al Cavendish Laboratory, una lastra fotografica uscì dal suo bagno portando una fila di linee scure e nitide dove la chimica aveva promesso una singola macchia. Le linee significavano che l'elemento nel tubo non era una sostanza, ma diverse, ognuna con il proprio peso — che i pesi atomici ordinati in ogni libro di testo erano medie di una moltitudine. L'uomo che costruì lo strumento aveva passato i suoi vent'anni ad analizzare la birra. Entro tre anni vinse un Premio Nobel.

Dalle vasche del birrificio ai raggi catodici

Aston era il terzo figlio e secondo maschio di William Aston e Fanny Charlotte Hollis, nato il 1º settembre 1877 a Harborne, un villaggio poi inglobato da Birmingham. Frequentò la Harborne Vicarage School, fu studente interno al Malvern College nel Worcestershire e dal 1893 frequentò il Mason College — allora un college esterno dell'Università di Londra — studiando fisica con John Henry Poynting e chimica con Frankland e Tilden. Dal 1896 condusse le proprie ricerche in un laboratorio privato nella casa del padre, studiando le proprietà ottiche dei composti dell'acido tartarico.

Poi arrivò una deviazione che sembrerebbe eccentrica sul curriculum di qualsiasi fisico moderno. Aston studiò chimica della fermentazione alla scuola di birra di Birmingham e lavorò per la W. Butler & Co. Brewery dal 1900 al 1903. Gli anni industriali non andarono sprecati. La produzione di birra è una disciplina di misurazione esatta e tecnica scrupolosa, e Aston emerse come un eccellente pratico — il tipo di sperimentatore che riusciva a ottenere un risultato dal vetro, dal filo e dal vuoto dove un teorico più brillante falliva.

Tornò a Birmingham nel 1903 come associato di Poynting e, con una borsa di studio universitaria, iniziò a studiare la corrente che passava attraverso tubi riempiti di gas. Il lavoro di Aston qui produsse il fenomeno che porta ancora il suo nome, lo spazio oscuro di Aston. Ottenne il suo BSc nel 1910 e il suo DSc nel 1914. Dopo la morte del padre e un giro del mondo nel 1908, fu nominato docente a Birmingham nel 1909.

Il Cavendish e il raggio positivo

Nel 1910, J. J. Thomson lo invitò a Cambridge. Lo studio di Thomson sui raggi catodici aveva già scoperto l'elettrone; era passato ai fasci caricati positivamente che Eugen Goldstein aveva notato nel 1886 e chiamato Kanalstrahlen. Wilhelm Wien aveva dimostrato nel 1908 che la deflessione magnetica, combinata con un campo elettrico, poteva ordinare gli ioni in base al rapporto tra carica e massa. Aston entrò nel mezzo di quel problema e vi rimase per tutta la vita.

Nel 1912, l'apparato di Cambridge mostrava qualcosa di strano nel neon: la traccia si divideva in due, approssimativamente alla massa 20 e alla massa 22. Il peso atomico accettato del neon era 20,2, un numero che non aveva senso per una singola specie di atomo e un senso perfetto per una miscela — circa nove parti di neon-20 per una parte di neon-22. Aston chiamò la variante più pesante "meta-neon", un termine che prese da Occult Chemistry, un testo teosofico. L'istinto era giusto; il vocabolario proveniva da uno scaffale molto strano.

La Prima Guerra Mondiale interruppe tutto. Aston la passò come assistente tecnico presso il Royal Aircraft Establishment a Farnborough, lavorando su rivestimenti aeronautici — lontano dagli ioni nel vuoto.

Lo strumento

Tornò al Cavendish e terminò la macchina. Il primo spettrografo di massa fu riportato nel 1919. Il principio era elegante: i campi elettrici guidavano un fascio di ioni attraverso una combinazione di campi elettrici e magnetici disposti in modo tale che gli ioni più leggeri si piegassero più bruscamente di quelli pesanti, e l'intera famiglia di un elemento atterrasse come una fila di segni separati su una lastra fotografica. Poiché il design portava ioni della stessa massa ma con velocità diverse a un fuoco comune, i segni erano linee piuttosto che sfocature. Questo fu il primo spettrometro di massa a settore, e la sua risoluzione era l'intero punto.

Aston lo fece poi altre due volte, ogni strumento più nitido del precedente. I risultati affluirono: più di cinquanta isotopi in sei anni, e 212 isotopi naturali nel corso della sua carriera. Pubblicò Isotopes nel 1922, un resoconto compatto di 152 pagine, e l'espanso Mass-Spectra and Isotopes nel 1933.

La regola dei numeri interi

Dalle lastre emerse una generalizzazione di portata sorprendente. Prendendo la massa dell'isotopo dell'ossigeno come 16, Aston osservò che tutti gli altri isotopi avevano masse che erano molto vicine a numeri interi. "Molto vicine" era dove si nascondeva la fisica: l'idrogeno risultava circa un per cento più pesante di quanto la regola richiedesse, e questa discrepanza è la contabilità dell'energia nucleare. Nel 1936 Aston speculava pubblicamente su cosa si potesse fare della massa mancante.

La Royal Society lo elesse Fellow nel 1921, lo stesso anno in cui entrò a far parte del Comitato Internazionale sui Pesi Atomici. Il Premio Nobel per la Chimica del 1922 arrivò "per la sua scoperta, mediante il suo spettrografo di massa, di isotopi in un gran numero di elementi non radioattivi e per la sua enunciazione della regola dei numeri interi". La Medaglia Paterno seguì nel 1923. Fu Fellow del Trinity College di Cambridge.

Lo sportivo sulle tracce dell'eclissi

L'Aston privato è quasi inverosimile. Non si è mai sposato e ha riempito lo spazio con il movimento. Praticava lo sci di fondo e il pattinaggio durante visite regolari in Svizzera e Norvegia, e imparò l'alpinismo durante la guerra. Costruì il proprio motore a combustione nel 1902 e si presentò alla gara automobilistica Gordon Bennett in Irlanda nel 1903. Nuotava, giocava a golf — spesso con Ernest Rutherford —, vinse premi di tennis in Inghilterra, Galles e Irlanda, e imparò a fare surf a Honolulu nel 1909. Proveniente da una famiglia di musicisti, suonava pianoforte, violino e violoncello abbastanza bene da esibirsi nei concerti di Cambridge.

Era anche un fotografo serio con l'appetito di un astronomo, inseguendo eclissi solari totali in tutto il mondo: Benkoeben nel 1925, Sumatra nel 1932, Magog in Canada quell'agosto, Kamishari in Hokkaido nel 1936.

Perché Francis è chiamato genio

La pretesa di Aston poggia su un tipo di mente poco di moda: l'immaginazione strumentale. Non derivò la regola dei numeri interi dalla teoria. Costruì una macchina capace di una misurazione che nessuno poteva fare, la fece 212 volte e lesse il modello dalle lastre. La citazione del Nobel è precisa su questo ed è utile prenderla letteralmente — onora "la sua scoperta, mediante il suo spettrografo di massa" e separatamente "la sua enunciazione della regola dei numeri interi". Due risultati sono nominati perché ce n'erano due, e il secondo era possibile solo perché il primo era abbastanza buono. Il suo dono fu vedere che una traccia sfocata era un problema ingegneristico piuttosto che un fatto naturale, e perfezionare finché la sfocatura non si risolveva in informazione.

Il contro-argomento è reale. Non ha inventato la tecnica: Goldstein trovò i raggi positivi nel 1886, Wien mostrò come deviarli nel 1908 e Thomson aveva già il risultato del neon in mano. Aston perfezionò una stirpe piuttosto che fondarne una. Non offrì alcuna spiegazione del perché esistano gli isotopi, e il suo primo giudizio interpretativo poteva essere scarso — l'uomo che chiamò un isotopo "meta-neon" dopo un testo teosofico non lavorava partendo da principi teorici primi. Le fonti disponibili non registrano alcun contemporaneo che lo definisse un genio; lodano una scoperta e una regola. Questa è la forma onesta della cosa. Ciò che Aston possedeva non era audacia concettuale, ma uno standard quasi inumano per l'affidabilità di un numero, mantenuto senza sosta per venticinque anni.

Eredità

Morì a Cambridge il 20 novembre 1945, all'età di sessantotto anni, nel primo anno dell'era nucleare che la sua regola aveva contribuito a rendere aritmeticamente possibile. Ogni spettrometro di massa in ogni ospedale, raffineria e dipartimento di geologia discende dalla macchina che egli assemblò al Cavendish. C'è un cratere chiamato Aston sulla Luna, e la British Mass Spectrometry Society assegna la Medaglia Aston ogni anno. Il chimico birraio ebbe l'ultima parola su quanto pesano realmente gli atomi.