Астон (Aston), Фрэнсис Уильям

Английский химик Фрэнсис Уильям Астон родился в Харборне, близ Бирмингема, в семье Уильяма Астона, фермера и торговца скобяными изделиями, и Фанни Шарлотты (Холлис) Астон, дочери преуспевающего бирмингемского оружейника. Фрэнсис был третьим по счету ребенком среди семи детей Астонов. Детство его прошло на ферме родителей. У Астона рано проявился интерес к науке: в импровизированной лаборатории он ставил собственные научные эксперименты. С 1889 по 1891 г. он учился в харборнской приходской школе, а с 1891 по 1893 г. – в Малвернском колледже, где был первым учеником в классе.

В 1893 г. Астон поступил в Масонский колледж в Бирмингеме (теперь это Бирмингемский университет), где изучал химию у У.О. Тилдена и П.Ф. Франкленда, а физику – у Дж.Г. Пойнтинга. В 1898 г. он получил стипендию Фостера, что позволило ему вернуться в Масонский колледж, чтобы работать там вместе с Франклендом над изучением оптических свойств продуктов замещения винной кислоты. Результаты своих исследований он опубликовал в 1901 г. Но стипендия не давала достаточных средств. Поэтому Астон, изучив химию брожения, с 1900 по 1903 г. проработал химиком на пивоваренном заводе. В это же время он построил лабораторию в доме своего отца и сконструировал необходимую аппаратуру для измерения электрических разрядов в вакуумных трубках. За эту работу Астон был награжден стипендией только что созданного Бирмингемского университета, где с 1903 по 1908 г. он снова работал с Пойнтингом. Здесь Астон исследовал явление, известное как «темное пространство Крукса» (названное именем английского химика Уильяма Крукса), т.е. пространство, которое появляется между катодом и отрицательным свечением, возникающим, когда через трубку, содержащую газ под низким давлением, пропускается электрический ток. Он обнаружил, что размеры этого темного пространства пропорциональны давлению и электрическому току и что там, рядом с катодом, существует еще одно, первичное, темное пространство (оно называется теперь «пространством Астона»).

После совершения в 1909 г. кругосветного путешествия Астон становится ассистентом Дж.Дж. Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Королевском институте в Лондоне. Астон получил образование химика, однако знание катодных лучей и лучей, несущих положительные заряды, позволило ему проводить эксперименты в области, лежащей на рубеже физики и химии. Вскоре Томсон поставил перед Астоном задачу усовершенствовать аппарат, называемый сферической сливной трубой, который измеряет соотношение между зарядом и массой для пучка положительно заряженных частиц. В то же время Томсон интересовался идеями Фредерика Содди в области изучения изотопии и пытался разделять изотопы неона. С этой целью он изобрел аппарат для фракционной перегонки неона и немного более тяжелого компонента, который Томсон назвал метанеоном. Для того чтобы измерить вес продуктов перегонки, Астон сконструировал кварцевые микровесы, чувствительные к одной миллиардной доле грамма.

Астон достиг обнадеживающих, хотя и не окончательных результатов. Но эту его работу прервала первая мировая война, и ученому пришлось изменить направление исследований. Во время войны Астон работал в Королевском самолетостроительном центре в Фарнборо, где изучал влияние атмосферных условий на обшивку самолетов. Однако он сумел найти и время, и возможности, чтобы для решения проблемы неона спроектировать новый аппарат, который он сконструировал в 1919 г. и назвал масс-спектрографом. Этот аппарат увеличивал скорость положительно заряженных ионов, проходящих через электрическое поле, используя сильное магнитное поле для фокусирования этих ионов на фотографическую пластинку. Поскольку тяжелые атомы отклоняются в меньшей степени, чем легкие, частицы различной массы разделяются и образуют масс-спектр. Рисунок, который появлялся при ударе частиц о фотографическую пластинку, позволил Астону выдвинуть предположение относительно их массы и величины. Таким образом, он обнаружил, что почти все элементы имеют несколько изотопов.

В ходе дальнейших исследований Астон сформулировал правило целых чисел, согласно которому массы атомов всегда выражаются целыми числами. Наблюдения, однако, показали, что некоторые атомные массы не могут быть точно выражены целыми числами. Астон считал, что наличие дробных атомных масс объясняется присутствием изотопов. Так, ученый обнаружил, что на каждый атом изотопа неона с атомной массой 22 приходится 10 атомов изотопа неона с атомной массой 20, в результате чего атомная масса обычного неона оказывается равной 20,2. На химические свойства неона эта смесь изотопов не влияет. Они зависят только от порядкового номера неона, т.е. от его места в периодической таблице. Сделанное Астоном открытие было сначала воспринято как экспериментальное подтверждение гипотезы, выдвинутой в 1815 г. английским химиком Уильямом Праутом, согласно которой все атомы образуются из общих составляющих. Однако более поздние исследования показали, что эта точка зрения ведет к слишком упрощенному пониманию структуры материи.

В 1922 г. ученому была присуждена Нобелевская премия по химии «за сделанное им с помощью им же изобретенного масс-спектрографа открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за формулирование правила целых чисел». От Шведской королевской академии наук Астон представлял X.Г. Седербаум. Он сказал: «Благодаря сделанному Астоном открытию загадка, свыше ста лет занимавшая умы химиков, наконец разгадана и тысячелетиями волновавшее человечество предположение подтвердилось».

Верный своему девизу «Еще, еще и еще раз проверь», Астон разработал более крупные и более мощные масс-спектрографы (в 1927 и 1935 гг.), с помощью которых он смог измерять очень малые отклонения от правила целых чисел. Ученый объяснил эти отклонения потерей атомной массы в результате ее превращения в энергию связи между частицами внутри ядра. Чем более тесно связаны заряды ядер, тем в большей степени величина отклонения их масс зависит от суммы их индивидуальных масс. Измерив эти отклонения, Астон проставил их против порядкового номера многих элементов. Результаты его исследований способствовали пониманию распространенности и стабильности элементов, а позднее и процесса освобождения атомной энергии из ядра атома.

Астон увлеченно занимался лыжами, плаванием, альпинизмом, ездой на велосипеде, теннисом и гольфом, очень любил морские путешествия. Кроме того, он был искусным фотографом и прекрасным музыкантом-любителем. Астон никогда не был женат. Умер ученый 20 ноября 1945 г. в Кембридже. В соответствии с завещанием его большое поместье было передано Тринити-колледжу (Кембридж).

Астон входил в состав совета Тринити-колледжа (где преподавал до самой смерти), а также являлся членом Лондонского королевского общества, иностранным членом Итальянской национальной академии наук и Академии наук СССР. Он был удостоен многих наград, в т. ч. премии Джона Скотта, которую присуждает г. Филадельфия (1923), медали Хьюза (1920) и Королевской медали (1938) Лондонского королевского общества, а также медали Даделла и премии Физического института (1941). С 1936 по 1945 г. Астон являлся председателем Комиссии по атомным весам Международного союза теоретической и прикладной химии.