Francis William Aston: Atomu Tartan Adam

1919'da, Cavendish Laboratuvarı'nda, bir fotoğraf plakası banyodan çıktığında, kimyanın tek bir bulanık leke vaat ettiği yerde keskin karanlık çizgilerden oluşan bir dizi ortaya çıktı. Çizgiler, tüpün içindeki elementin tek bir madde değil, her biri kendi ağırlığına sahip birkaç madde olduğunu, yani her ders kitabındaki düzenli atom ağırlıklarının bir kalabalığın ortalaması olduğunu ifade ediyordu. Aleti inşa eden adam, yirmili yaşlarını birayı analiz ederek geçirmişti. Üç yıl içinde Nobel Ödülü sahibi oldu.

Bira Fıçılarından Katot Işınlarına

Aston, William Aston ve Fanny Charlotte Hollis'in üçüncü çocuğu ve ikinci oğlu olarak 1 Eylül 1877'de, daha sonra Birmingham tarafından yutulan Harborne köyünde doğdu. Harborne Vicarage Okulu'na gitti, Worcestershire'daki Malvern College'da yatılı okudu ve 1893'ten itibaren, o zamanlar Londra Üniversitesi'nin dış bir koleji olan Mason College'a devam ederek John Henry Poynting'den fizik, Frankland ve Tilden'den kimya dersleri aldı. 1896'dan itibaren babasının evindeki özel bir laboratuvardan kendi araştırmalarını yürüttü ve tartarik asit bileşiklerinin optik özellikleri üzerinde çalıştı.

Ardından, modern bir fizikçinin özgeçmişinde eksantrik görünebilecek bir sapma yaşandı. Aston, Birmingham'ın biracılık okulunda fermantasyon kimyası okudu ve 1900'den 1903'e kadar W. Butler & Co. Bira Fabrikası'nda çalıştı. Endüstri yılları boşa gitmedi. Biracılık, kesin ölçüm ve titiz teknik disiplinidir ve Aston, cam, tel ve vakumdan sonuç alabilen, teorisyenlerin başarısız olduğu yerde sonuç çıkarabilen müthiş bir pratikçi olarak ortaya çıktı.

1903'te Poynting'in altında asistan olarak Birmingham'a döndü ve bir üniversite bursuyla gaz dolu tüplerden geçen akımı araştırmaya başladı. Aston'un buradaki çalışmaları, bugün hala onun adını taşıyan "Aston karanlık uzayı" (Aston dark space) fenomenini üretti. 1910'da BSc ve 1914'te DSc derecesini aldı. Babasının ölümü ve 1908'deki dünya turundan sonra, 1909'da Birmingham'da öğretim görevlisi olarak atandı.

Cavendish ve Pozitif Işınlar

1910'da J. J. Thomson onu Cambridge'e davet etti. Thomson'ın katot ışınları çalışması zaten elektronu ortaya çıkarmıştı; Eugen Goldstein'ın 1886'da fark ettiği ve Kanalstrahlen (kanal ışınları) olarak adlandırdığı pozitif yüklü ışınlara geçmişti. Wilhelm Wien 1908'de manyetik sapmanın, elektrik alanıyla birleştiğinde iyonları yük/kütle oranına göre sıralayabileceğini göstermişti. Aston bu sorunun ortasına girdi ve ömrünün sonuna kadar bununla uğraştı.

1912'ye gelindiğinde Cambridge cihazı neonda tuhaf bir şey gösteriyordu: iz, kabaca kütle 20 ve kütle 22'de ikiye bölünmüştü. Neon'un kabul edilen atom ağırlığı 20.2 idi; bu sayı, tek bir atom türü için anlamsız, ancak bir karışım için (kabaca dokuz parça neon-20'ye bir parça neon-22) mükemmel derecede mantıklıydı. Aston, daha ağır olan türe, teozofik bir metin olan Occult Chemistry (Gizli Kimya) kitabından aldığı "meta-neon" adını verdi. İçgüdüsü doğruydu; ancak kelime çok tuhaf bir raftan gelmişti.

Birinci Dünya Savaşı her şeyi kesti. Aston savaşı Farnborough'daki Kraliyet Uçak Fabrikası'nda teknik asistan olarak geçirdi ve vakumdaki iyonlardan çok uzak olan havacılık kaplamaları üzerinde çalıştı.

Alet

Cavendish'e geri döndü ve makineyi bitirdi. İlk kütle spektrografı 1919'da rapor edildi. Prensip zarifti: elektrik alanları bir iyon demetini, daha hafif iyonların ağır olanlardan daha keskin bir şekilde büküleceği şekilde düzenlenmiş elektrik ve manyetik alanların kombinasyonundan geçirdi ve elementin tüm ailesi bir fotoğraf plakası üzerinde ayrı işaretler dizisi olarak düştü. Tasarım, aynı kütleli ancak farklı hızlardaki iyonları ortak bir odak noktasına geri getirdiği için işaretler bulanıklık yerine çizgiler halindeydi. Bu ilk sektör alanlı kütle spektrometresiydi ve çözünürlüğü tüm meselenin özüydü.

Aston bunu iki kez daha yaptı ve her alet öncekinden daha keskin sonuç verdi. Sonuçlar akmaya başladı: altı yılda elliden fazla izotop ve kariyeri boyunca 212 doğal olarak oluşan izotop. 1922'de 152 sayfalık kompakt bir hesap olan Isotopes (İzotoplar) kitabını ve 1933'te genişletilmiş Mass-Spectra and Isotopes (Kütle Spektrumları ve İzotoplar) kitabını yayınladı.

Tam Sayı Kuralı

Plakalardan çarpıcı bir genelleme çıktı. Oksijen izotopunun kütlesini 16 alarak, Aston diğer tüm izotopların kütlelerinin tam sayılara çok yakın olduğunu gözlemledi. "Çok yakın", fiziğin saklandığı yerdi: hidrojen kuralın gerektirdiğinden yaklaşık yüzde bir daha ağırdı ve bu tutarsızlık nükleer enerjinin muhasebesidir. 1936'ya gelindiğinde Aston, eksik kütleyle ne yapılabileceği konusunda halka açık tahminlerde bulunuyordu.

Kraliyet Cemiyeti onu 1921'de üye seçti; aynı yıl Uluslararası Atom Ağırlıkları Komitesi'ne katıldı. 1922 Nobel Kimya Ödülü, "kütle spektrografı aracılığıyla çok sayıda radyoaktif olmayan elementte izotopları keşfi ve tam sayı kuralını açıklaması nedeniyle" verildi. Ardından 1923'te Paterno Madalyası geldi. Cambridge'deki Trinity College üyesiydi.

Tutulma Yolundaki Sporcu

Özel Aston neredeyse inanılmazdır. Hiç evlenmedi ve boşluğu hareketle doldurdu. İsviçre ve Norveç'e düzenli ziyaretlerinde kros kayağı ve paten yaptı, savaş sırasında dağcılık öğrendi. 1902'de kendi içten yanmalı motorunu inşa etti ve 1903'te İrlanda'daki Gordon Bennett motor yarışında boy gösterdi. Yüzdü, golf oynadı (sıklıkla Ernest Rutherford ile), İngiltere, Galler ve İrlanda'da tenis ödülleri kazandı ve 1909'da Honolulu'da sörf yapmayı öğrendi. Müzisyen bir aileden gelen Aston, Cambridge konserlerinde performans sergileyecek kadar iyi piyano, keman ve çello çaldı.

Ayrıca, astronomik iştaha sahip ciddi bir fotoğrafçıydı; dünya çapında tam güneş tutulmalarının peşindeydi: 1925'te Benkoeben, 1932'de Sumatra, o Ağustos ayında Kanada'da Magog, 1936'da Hokkaido'da Kamishari.

Francis Neden Dahi Olarak Adlandırılıyor?

Aston'un iddiası, modası geçmiş bir zihin türüne dayanır: enstrümantal hayal gücü. Tam sayı kuralını teoriden türetmedi. Kimsenin yapamayacağı bir ölçümü yapabilen bir makine inşa etti, bunu 212 kez tekrarladı ve deseni plakalardan okudu. Nobel atıfları bu konuda kesindir ve kelimenin tam anlamıyla alınmaya değerdir — "kütle spektrografı aracılığıyla keşfini" ve ayrı olarak "tam sayı kuralını açıklamasını" onurlandırır. İki başarı adlandırılmıştır çünkü iki tane vardı ve ikincisi ancak ilki yeterince iyi olduğu için mümkündü. Hediyesi, bulanık bir izin doğal bir gerçeklikten ziyade bir mühendislik sorunu olduğunu görmek ve bulanıklık bilgiye dönüşene kadar rafine etmekti.

Karşı argüman gerçektir. Tekniğin yaratıcısı değildi: Goldstein pozitif ışınları 1886'da buldu, Wien 1908'de bunların nasıl saptırılacağını gösterdi ve Thomson neon sonucuna sahipti. Aston bir nesli kurmak yerine mükemmelleştirdi. İzotopların neden var olduğuna dair hiçbir açıklama sunmadı ve erken yorumlayıcı yargısı zayıf olabilirdi — bir izotopa teozofik bir metinden sonra "meta-neon" adını veren adam, teorik ilk ilkelerden çalışmıyordu. Mevcut kaynaklar ona dahi diyen hiçbir çağdaşını kaydetmemektedir; onlar bir keşfi ve bir kuralı överler. İşin dürüst şekli budur. Aston'un sahip olduğu şey kavramsal cüret değil, yirmi beş yıl boyunca kesintisiz olarak sürdürülen, sayıların güvenilirliği için insanüstü bir standarttı.

Miras

20 Kasım 1945'te Cambridge'de, kuralının aritmetik olarak mümkün kılmasına yardımcı olduğu nükleer çağın ilk yılında altmış sekiz yaşında öldü. Her hastanedeki, rafinerideki ve jeoloji bölümündeki her kütle spektrometresi, Cavendish'te birleştirdiği makineden gelir. Ay'da Aston adında bir krater vardır ve İngiliz Kütle Spektrometresi Derneği her yıl Aston Madalyası verir. Biracı kimyager, atomların gerçekte ne kadar ağır olduğu konusunda son sözü söyledi.