Francis William Aston: O homem que pesou o átomo

Em 1919, no Laboratório Cavendish, uma placa fotográfica saiu do seu banho carregando uma fila de linhas escuras e nítidas onde a química havia prometido uma única mancha. As linhas significavam que o elemento no tubo não era uma substância, mas várias, cada uma com o seu próprio peso — que os arrumados pesos atómicos em cada livro didático eram médias de uma multidão. O homem que construiu o instrumento tinha passado os seus vinte anos a analisar cerveja. Dentro de três anos tinha um Prémio Nobel.

Das cubas de cervejaria aos raios catódicos

Aston foi o terceiro filho e segundo homem de William Aston e Fanny Charlotte Hollis, nascido a 1 de setembro de 1877 em Harborne, uma vila desde então engolida por Birmingham. Frequentou a Harborne Vicarage School, foi interno no Malvern College em Worcestershire e, a partir de 1893, frequentou o Mason College — então uma faculdade externa da Universidade de Londres —, estudando física com John Henry Poynting e química com Frankland e Tilden. A partir de 1896, dirigiu a sua própria investigação a partir de um laboratório privado na casa do seu pai, preocupando-se com as propriedades óticas dos compostos do ácido tartárico.

Depois veio um desvio que pareceria excêntrico no currículo de qualquer físico moderno. Aston estudou química da fermentação na escola de cervejaria de Birmingham e trabalhou para a W. Butler & Co. Brewery de 1900 a 1903. Os anos industriais não foram desperdiçados. A fabricação de cerveja é uma disciplina de medição exata e técnica escrupulosa, e Aston emergiu como um excelente prático — o tipo de experimentador que conseguia obter um resultado a partir de vidro, fio e vácuo onde um teórico mais inteligente falhava.

Regressou a Birmingham em 1903 como associado de Poynting e, com uma bolsa universitária, começou a investigar a corrente que passava através de tubos cheios de gás. O trabalho de Aston aqui produziu o fenómeno que ainda leva o seu nome, o espaço escuro de Aston. Tirou o seu BSc em 1910 e o seu DSc em 1914. Após a morte do seu pai e uma viagem ao redor do mundo em 1908, foi nomeado professor em Birmingham em 1909.

O Cavendish e o raio positivo

Em 1910, J. J. Thomson convidou-o para Cambridge. O estudo de Thomson sobre raios catódicos já tinha descoberto o eletrão; ele tinha passado para os feixes carregados positivamente que Eugen Goldstein notou em 1886 e chamou de Kanalstrahlen. Wilhelm Wien tinha demonstrado em 1908 que a deflexão magnética, combinada com um campo elétrico, podia classificar iões pela relação entre carga e massa. Aston entrou no meio desse problema e ficou com ele para toda a vida.

Em 1912, o aparelho de Cambridge mostrava algo estranho no néon: o traço dividia-se em dois, aproximadamente na massa 20 e massa 22. O peso atómico aceite do néon era 20,2, um número que não fazia sentido para uma única espécie de átomo e fazia todo o sentido para uma mistura — aproximadamente nove partes de néon-20 para uma parte de néon-22. Aston chamou a variante mais pesada de "meta-néon", um termo que ele tirou de Occult Chemistry, um texto teosófico. O instinto estava certo; o vocabulário veio de uma prateleira muito estranha.

A Primeira Guerra Mundial interrompeu tudo. Aston passou-a como assistente técnico no Royal Aircraft Establishment em Farnborough, trabalhando em revestimentos aeronáuticos — muito longe dos iões no vácuo.

O instrumento

Ele voltou ao Cavendish e terminou a máquina. O primeiro espectrógrafo de massa foi reportado em 1919. O princípio era elegante: campos elétricos conduziam um feixe de iões através de uma combinação de campos elétricos e magnéticos dispostos de forma a que os iões mais leves se curvassem mais acentuadamente do que os pesados, e toda a família de um elemento aterrava como uma fila de marcas separadas numa placa fotográfica. Como o design trazia iões da mesma massa, mas com velocidades diferentes, de volta a um foco comum, as marcas eram linhas em vez de borrões. Este foi o primeiro espetrómetro de massa de campo de setor, e a sua resolução era todo o objetivo.

Aston fê-lo depois mais duas vezes, cada instrumento mais nítido do que o anterior. Os resultados surgiram: mais de cinquenta isótopos em seis anos, e 212 isótopos de ocorrência natural ao longo da sua carreira. Publicou Isotopes em 1922, um relato compacto de 152 páginas, e o expandido Mass-Spectra and Isotopes em 1933.

A regra do número inteiro

Das placas surgiu uma generalização de alcance surpreendente. Tomando a massa do isótopo de oxigénio como 16, Aston observou que todos os outros isótopos tinham massas que eram muito próximas de números inteiros. "Muito próximas" era onde a física se escondia: o hidrogénio vinha cerca de um por cento mais pesado do que a regra exigia, e essa discrepância é a contabilidade da energia nuclear. Em 1936, Aston especulava publicamente sobre o que a massa em falta poderia ser levada a fazer.

A Royal Society elegeu-o membro em 1921, no mesmo ano em que se juntou ao Comité Internacional de Pesos Atómicos. O Prémio Nobel da Química de 1922 veio "pela sua descoberta, por meio do seu espectrógrafo de massa, de isótopos, num grande número de elementos não radioativos, e pela sua enunciação da regra do número inteiro". A Medalha Paterno seguiu-se em 1923. Ele foi membro do Trinity College, Cambridge.

O desportista na trilha do eclipse

O Aston privado é quase implausível. Nunca casou e encheu o espaço com movimento. Praticou esqui cross-country e patinagem em visitas regulares à Suíça e Noruega, e aprendeu montanhismo durante a guerra. Construiu o seu próprio motor de combustão em 1902 e apareceu na corrida automobilística Gordon Bennett na Irlanda em 1903. Nadou, jogou golfe — frequentemente com Ernest Rutherford —, ganhou prémios de ténis em Inglaterra, País de Gales e Irlanda, e aprendeu a surfar em Honolulu em 1909. De uma família musical, tocava piano, violino e violoncelo suficientemente bem para atuar em concertos em Cambridge.

Ele foi também um fotógrafo sério com o apetite de um astrónomo, perseguindo eclipses solares totais por todo o mundo: Benkoeben em 1925, Sumatra em 1932, Magog no Canadá naquele agosto, Kamishari em Hokkaido em 1936.

Por que Francis é chamado de génio

A alegação de Aston baseia-se num tipo de mente pouco comum: a imaginação instrumental. Ele não derivou a regra do número inteiro da teoria. Construiu uma máquina capaz de uma medição que ninguém conseguia fazer, fê-la 212 vezes e leu o padrão nas placas. A citação do Nobel é precisa sobre isto e vale a pena tomá-la literalmente — homenageia "a sua descoberta, por meio do seu espectrógrafo de massa" e, separadamente, "a sua enunciação da regra do número inteiro". Duas realizações são nomeadas porque foram duas, e a segunda só foi possível porque a primeira era suficientemente boa. O seu dom foi ver que um traço difuso era um problema de engenharia em vez de um facto da natureza, e refinar até que o borrão se resolvesse em informação.

O contra-argumento é real. Ele não originou a técnica: Goldstein encontrou os raios positivos em 1886, Wien mostrou como desviá-los em 1908 e Thomson tinha o resultado do néon em mãos. Aston aperfeiçoou uma linhagem em vez de fundar uma. Não ofereceu nenhuma explicação sobre por que os isótopos existem, e o seu julgamento interpretativo inicial podia ser pobre — o homem que chamou um isótopo de "meta-néon" depois de um texto teosófico não estava a trabalhar a partir de primeiros princípios teóricos. As fontes disponíveis não registam qualquer contemporâneo a chamá-lo de génio; elogiam uma descoberta e uma regra. Essa é a forma honesta de o ver. O que Aston tinha não era ousadia conceptual, mas um padrão quase inumano para a fiabilidade de um número, mantido sem cessar durante vinte e cinco anos.

Legado

Morreu em Cambridge a 20 de novembro de 1945, com sessenta e oito anos, no primeiro ano da era nuclear que a sua regra tinha ajudado a tornar aritmeticamente possível. Cada espetrómetro de massa em cada hospital, refinaria e departamento de geologia descende da máquina que ele montou no Cavendish. Há uma cratera chamada Aston na Lua, e a British Mass Spectrometry Society entrega a Medalha Aston todos os anos. O químico cervejeiro teve a última palavra sobre o que os átomos realmente pesam.