Фрэнсис Уильям Астон: человек, который взвесил атом

В 1919 году в Кавендишской лаборатории из проявителя вынули фотопластинку, на которой вместо ожидаемого химиками единственного размытого пятна проявился ряд четких темных линий. Эти линии означали, что элемент в трубке — это не одно вещество, а несколько, каждое со своим весом, и что аккуратные атомные веса в каждом учебнике были лишь средними значениями целой группы. Человек, создавший этот прибор, провел свои двадцать с лишним лет, анализируя пиво. Через три года он получил Нобелевскую премию.

От пивоваренных чанов до катодных лучей

Астон был третьим ребенком и вторым сыном Уильяма Астона (William Aston) и Фанни Шарлотт Холлис (Fanny Charlotte Hollis), родился 1 сентября 1877 года в Харборне (Harborne), деревне, которая позже была поглощена Бирмингемом. Он учился в школе Харборн-Викаридж (Harborne Vicarage School), жил в пансионе колледжа Малверн (Malvern College) в Вустершире, а с 1893 года посещал колледж Мейсон (Mason College) — тогда внешний колледж Лондонского университета — изучая физику у Джона Генри Пойнтинга (John Henry Poynting) и химию у Франкленда (Frankland) и Тилдена (Tilden). С 1896 года он вел собственные исследования в частной лаборатории в доме отца, изучая оптические свойства соединений винной кислоты.

Затем последовал обходной путь, который выглядел бы эксцентрично в резюме любого современного физика. Астон изучал химию брожения в пивоваренной школе в Бирмингеме и работал на пивоварне W. Butler & Co. с 1900 по 1903 год. Эти производственные годы не были потрачены зря. Пивоварение — это дисциплина точных измерений и скрупулезной техники, и Астон стал превосходным практиком — экспериментатором, способным добиться результата с помощью стекла, проволоки и вакуума там, где терпели неудачу более умные теоретики.

Он вернулся в Бирмингем в 1903 году в качестве ассистента Пойнтинга и на университетскую стипендию начал исследовать ток, проходящий через газонаполненные трубки. Работа Астона здесь породила явление, которое до сих пор носит его имя — астоновское темное пространство (Aston dark space). Он получил степень бакалавра наук в 1910 году и доктора наук в 1914 году. После смерти отца и кругосветного путешествия в 1908 году, в 1909 году он был назначен преподавателем в Бирмингеме.

Кавендиш и положительные лучи

В 1910 году Дж. Дж. Томсон (J. J. Thomson) пригласил его в Кембридж. Изучение Томсоном катодных лучей уже привело к открытию электрона; он переключился на положительно заряженные пучки, которые Ойген Гольдштейн (Eugen Goldstein) заметил в 1886 году и назвал каналовыми лучами (Kanalstrahlen). Вильгельм Вин (Wilhelm Wien) в 1908 году показал, что магнитное отклонение в сочетании с электрическим полем может сортировать ионы по соотношению заряда к массе. Астон вмешался в эту проблему и оставался с ней на всю жизнь.

К 1912 году кембриджский аппарат начал показывать нечто странное в неоне: след расщепился на две части, примерно на массе 20 и 22. Принятый атомный вес неона составлял 20.2 — число, которое не имело смысла для одного вида атома, но идеально подходило для смеси — примерно девять частей неона-20 к одной части неона-22. Астон назвал более тяжелый вариант «мета-неоном» (meta-neon), термин, который он взял из книги Оккультная химия (Occult Chemistry), теософского текста. Интуиция была верной; словарный запас был взят с очень странной полки.

Первая мировая война прервала все. Астон провел ее в качестве технического помощника в Королевском авиационном учреждении в Фарнборо, работая над авиационными покрытиями — очень далеко от ионов в вакууме.

Инструмент

Он вернулся в Кавендиш и закончил машину. Первый масс-спектрограф был описан в 1919 году. Принцип был элегантен: электрические поля направляли пучок ионов через комбинацию электрических и магнитных полей, расположенных так, что более легкие ионы отклонялись сильнее, чем тяжелые, и все семейство элемента оседало в виде ряда отдельных отметок на фотопластинке. Поскольку конструкция возвращала ионы одной и той же массы, но с разной скоростью, к общему фокусу, отметки были линиями, а не размытыми пятнами. Это был первый масс-спектрометр секторного типа, и его разрешение было главной целью.

Астон сделал это еще дважды, причем каждый инструмент был точнее предыдущего. Результаты лились рекой: более пятидесяти изотопов за шесть лет и 212 естественно встречающихся изотопов за всю его карьеру. Он опубликовал книгу Изотопы (Isotopes) в 1922 году — компактный отчет на 152 страницы, и расширенное издание Масс-спектры и изотопы (Mass-Spectra and Isotopes) в 1933 году.

Правило целых чисел

Из пластинок возникло обобщение поразительного охвата. Приняв массу изотопа кислорода за 16, Астон заметил, что все остальные изотопы имеют массы, которые были очень близки к целым числам. В слове «очень близкие» скрывалась физика: водород оказался примерно на один процент тяжелее, чем требовало правило, и это расхождение — суть учета ядерной энергии. К 1936 году Астон публично размышлял о том, что можно сделать с недостающей массой.

Королевское общество избрало его своим членом в 1921 году, в том же году он вошел в состав Международного комитета по атомным весам. Нобелевская премия по химии 1922 года была присуждена ему «за открытие, с помощью его масс-спектрографа, изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел». В 1923 году последовала медаль Патерно (Paterno Medal). Он был членом Тринити-колледжа в Кембридже.

Спортсмен на пути затмения

Частная жизнь Астона почти невероятна. Он никогда не был женат и заполнял пространство движением. Он занимался беговыми лыжами и конькобежным спортом во время регулярных визитов в Швейцарию и Норвегию, а во время войны научился альпинизму. Он построил свой собственный двигатель внутреннего сгорания в 1902 году и появился на автогонках Гордона Беннетта (Gordon Bennett motor race) в Ирландии в 1903 году. Он плавал, играл в гольф — часто с Эрнестом Резерфордом (Ernest Rutherford) — выигрывал призы по теннису в Англии, Уэльсе и Ирландии, а в 1909 году в Гонолулу научился серфингу. Из музыкальной семьи, он играл на фортепиано, скрипке и виолончели достаточно хорошо, чтобы выступать на концертах в Кембридже.

Он также был серьезным фотографом с астрономическим аппетитом, охотясь за полными солнечными затмениями по всему миру: в Бенкобене (Benkoeben) в 1925 году, на Суматре в 1932 году, в Магоге (Magog) в Канаде в том же августе, в Камишари (Kamishari) на Хоккайдо в 1936 году.

Почему Фрэнсиса называют гением

Притязания Астона основываются на немодном типе ума: инструментальном воображении. Он не вывел правило целых чисел из теории. Он построил машину, способную на измерение, которое никто не мог сделать, сделал это 212 раз и прочитал паттерн с пластинок. Нобелевская формулировка точна в этом отношении и стоит того, чтобы воспринимать ее буквально — она чтит «его открытие, с помощью его масс-спектрографа», и отдельно «его формулировку правила целых чисел». Два достижения названы, потому что их было два, и второе стало возможным только потому, что первое было достаточно хорошим. Его дар заключался в том, чтобы увидеть, что размытый след — это инженерная проблема, а не факт природы, и уточнять его до тех пор, пока размытие не разрешится в информацию.

Контраргумент реален. Он не был первооткрывателем метода: Гольдштейн нашел положительные лучи в 1886 году, Вин показал, как их отклонять в 1908 году, а Томсон имел результат по неону. Астон усовершенствовал линию, а не основал её. Он не предложил объяснения того, почему существуют изотопы, и его ранние интерпретационные суждения могли быть слабыми — человек, который назвал изотоп «мета-неоном» в честь теософского трактата, не работал на основе теоретических первых принципов. Доступные источники не упоминают ни одного современника, называвшего его гением; они хвалят открытие и правило. Это честное положение дел. У Астона была не концептуальная смелость, а почти нечеловеческий стандарт надежности чисел, поддерживаемый без остановок в течение двадцати пяти лет.

Наследие

Он умер в Кембридже 20 ноября 1945 года в возрасте шестидесяти восьми лет, в первый год ядерной эры, которую его правило помогло сделать арифметически возможной. Каждый масс-спектрометр в каждой больнице, нефтеперерабатывающем заводе и геологическом факультете происходит от машины, которую он собрал в Кавендише. На Луне есть кратер, названный в честь Астона, а Британское общество масс-спектрометрии ежегодно вручает медаль Астона. Пивовар-химик получил последнее слово о том, сколько на самом деле весят атомы.