フランシス・ウィリアム・アストン：原子を計った男
1919年、キャヴェンディッシュ研究所で、一枚の乾板が現像槽から取り出された。そこには、化学がたった一つのぼやけを約束していた場所に、鋭く暗い線がいくつも並んでいた。これらの線は、管の中の元素が単一の物質ではなく、それぞれ独自の重さを持つ複数の物質であることを意味していた。つまり、あらゆる教科書に整然と記されていた原子量は、大勢の平均値に過ぎなかったのである。この装置を組み立てた男は、20代の頃にビールの分析をしていた。わずか3年後、彼はノーベル賞を受賞することになる。
醸造所の樽から陰極線まで
アストンは、ウィリアム・アストンとファニー・シャーロット・ホリスの間の第3子・次男として、1877年9月1日にバーミンガムに併合される以前の村ハボーンで生まれた。ハボーン・ヴィカレッジ・スクールに通い、ウスターシャーのマルヴァーン・カレッジで寮生活を送り、1893年からはロンドン大学の学外カレッジであったメイソン・カレッジに進学し、ジョン・ヘンリー・ポインティングから物理学を、フランクランドとティルデンから化学を学んだ。1896年からは父の家の私設実験室で独自の研究を行い、酒石酸化合物の光学特性について悩んでいた。
その後、現代の物理学者の履歴書に載せれば奇妙に映るであろう回り道をした。アストンはバーミンガムの醸造学校で発酵化学を学び、1900年から1903年までW.バトラー＆カンパニー醸造所で働いた。この産業に従事した年月は無駄ではなかった。醸造は正確な測定と細心の技術が求められる学問であり、アストンは優れた実務家として頭角を現した。彼は、より巧妙な理論家が失敗するような場所でも、ガラスとワイヤと真空の中から結果を引き出すことのできる実験家だった。
1903年、ポインティングの下でアソシエイトとしてバーミンガムに戻り、大学の奨学金を得て、気体で満たされた管の中を流れる電流の調査を始めた。ここでのアストンの研究は、現在も彼の名を冠する「アストン暗部」という現象を生み出した。1910年に理学士（BSc）、1914年に理学博士（DSc）を取得した。父の死と1908年の世界旅行を経て、1909年にバーミンガムの講師に任命された。
キャヴェンディッシュと陽極線
1910年、J.J.トムソンが彼をケンブリッジに招いた。トムソンの陰極線研究はすでに電子を発見していたが、彼は1886年にオイゲン・ゴールドシュタインが発見し「運河線（Kanalstrahlen）」と名付けた正電荷を持つビームへと関心を移していた。ヴィルヘルム・ヴィーンは1908年に、磁気偏向と電界を組み合わせることで、荷電粒子（イオン）を電荷と質量の比率で分類できることを示していた。アストンはその課題の渦中に飛び込み、生涯それを追求し続けた。
1912年までに、ケンブリッジの装置はネオンの中に奇妙なものを示していた。痕跡が質量20付近と22付近の二つに分かれていたのだ。ネオンの公認原子量は20.2であったが、これは単一の原子種としては意味をなさず、混合物であれば完全に説明がつくものであった（ネオン20が9に対してネオン22が1の割合）。アストンは、より重い変種を、神智学のテキストである『オカルト化学（Occult Chemistry）』から借りて「メタネオン」と名付けた。直感は正しかったが、語彙の選び方は非常に風変わりな棚から引っ張り出されたものだった。
第一次世界大戦がすべてを中断させた。アストンはファーンバラの王立航空工廠で技術補佐として働き、航空機の塗料の研究に従事した。真空中のイオンとは程遠い仕事であった。
装置
戦後、キャヴェンディッシュに戻り、マシンを完成させた。最初の質量分析計が報告されたのは1919年のことである。原理はエレガントだった。電界がイオンビームを電磁界の組み合わせを通過させ、軽いイオンが重いイオンよりも鋭く曲がるように配置され、元素の全ファミリーが乾板の上に別々のマークの列として着地した。この設計は、同じ質量だが速度の異なるイオンを共通の焦点に戻すため、マークはぼやけではなく線となった。これが世界初のセクター型質量分析計であり、その分解能こそがすべてであった。
アストンはその後さらに2回改良を行い、装置は回を追うごとに鮮明さを増した。成果は次々と上がり、6年間で50以上の同位体を発見し、キャリアを通じて212の天然同位体を同定した。1922年にはコンパクトな152ページの報告書『Isotopes（同位体）』を出版し、1933年にはそれを拡張した『Mass-Spectra and Isotopes（質量スペクトルと同位体）』を出版した。
整数律
乾板から、驚くべき広がりを持つ一般化が導き出された。酸素同位体の質量を16とすると、他のすべての同位体の質量はほぼ整数になることをアストンは観察した。「ほぼ」というところに物理学が隠れていた。水素は規則が要求する値よりも約1%重く、その不一致こそが核エネルギーの会計簿である。1936年までに、アストンは失われた質量で何ができるかについて公然と推測していた。
1921年、王立協会は彼をフェローに選出した。同年、彼は国際原子量委員会にも加わった。1922年のノーベル化学賞は、「質量分析計を用いて、多数の非放射性元素における同位体を発見し、整数律を提唱した功績」により授与された。1923年にはパテルノ・メダルが授与された。彼はケンブリッジ大学トリニティ・カレッジのフェローであった。
日食を追うスポーツマン
私生活のアストンは、信じがたいほど活動的であった。生涯独身を通し、常に動き回っていた。スイスやノルウェーへ定期的に訪れてクロスカントリースキーやスケートを楽しみ、戦時中には登山を学んだ。1902年には自作の燃焼エンジンを組み、1903年にはアイルランドのゴードン・ベネット・モーターカーレースに現れた。水泳、ゴルフ（頻繁にアーネスト・ラザフォードと共に）、イギリス、ウェールズ、アイルランドでのテニス大会での優勝、1909年にはホノルルでサーフィンを学んだ。音楽一家に生まれ、ピアノ、ヴァイオリン、チェロを弾きこなし、ケンブリッジのコンサートで演奏するほどの腕前だった。
また、天文学者のような情熱を持つ真剣な写真家でもあり、世界中で皆既日食を追いかけた。1925年のベンクーベン、1932年のスマトラ、同年8月のカナダのマゴグ、1936年の北海道の上士幌などである。
フランシスが天才と呼ばれる理由
アストンの評価は、当時は流行遅れだった「計測装置に対する想像力」に基づいている。彼は理論から整数律を導き出したわけではない。誰も作ることのできなかった測定を可能にするマシンを作り上げ、それを212回繰り返し、乾板からパターンを読み取ったのである。ノーベル賞の選考理由はこの点を正確に述べており、文字通り受け取るべきだ。つまり、「質量分析計による同位体の発見」という功績と、「整数律の提唱」という功績を別々に評価している。二つの成果が挙げられているのは、実際に二つの成果があったからであり、二つ目は一つ目が十分に優れていたからこそ可能だった。彼の才能は、ぼやけた痕跡を自然の事実ではなく工学上の問題と捉え、情報が明確になるまで調整を繰り返したことにある。
反論も存在する。彼はこの技術の創始者ではない。陽極線は1886年にゴールドシュタインが発見し、偏向方法は1908年にヴィーンが示し、ネオンの結果はトムソンがすでに手にしていた。アストンは既存の系列を完成させたのであって、創始したわけではない。彼は同位体が存在する「理由」については説明せず、初期の解釈判断は拙いこともあった。神智学のテキストから「メタネオン」と名付けた男は、第一原理的な理論から導き出していたわけではない。当時の記録に彼を天才と呼ぶ声はなく、発見と法則が称えられている。それが彼に対する率直な評価である。アストンが持っていたのは概念的な大胆さではなく、25年間絶え間なく維持された、数字の信頼性に対するほとんど非人間的な基準であった。
レガシー
1945年11月20日、ケンブリッジにて68歳で死去。彼の法則が算術的に可能にした核時代の最初の年であった。病院、精製所、地質学部門にあるすべての質量分析計は、彼がキャヴェンディッシュで組み立てた装置の系譜にある。月にはアストンの名を冠したクレーターがあり、イギリス質量分析学会は毎年アストン・メダルを授与している。醸造化学者であった彼は、原子が実際にどれほどの重さかという問いに対して、最後の言葉を残した。
