АСТОН, ФРЭНСИС УИЛЬЯМ

АСТОН, ФРЭНСИС УИЛЬЯМ (Aston, Francis William), 1877–1945 (Великобритания). Нобелевская премия по химии (1922).

Родился 1 сентября 1877 года в Харборне, близ Бирмингема, в семье фермера и торговца Уильяма Астона и Фанни Шарлотты Холлис, дочери бирмингемского оружейника, третьим по счету среди семи детей. Детство прошло на ферме родителей. С 1889 по 1891 учился в харборнской приходской школе, а с 1891 по 1893 – в Малвернском колледже, где был первым учеником. У него рано проявился интерес к науке: еще тогда он ставил собственные эксперименты.

В 1893 поступил в Масонский колледж в Бирмингеме (позднее Бирмингемский университет), где изучал химию у Уильяма Огастеса Тилдена и Перси Фарадея Франкланда, а физику – у Джона Генри Пойнтинга. В 1898 получил стипендию Фостера, что позволило ему вернуться в Масонский колледж, чтобы работать там вместе с Франкландом над изучением оптических свойств продуктов замещения винной кислоты. Результаты своих исследований опубликовал в 1901.

Но стипендия не давала достаточных средств, поэтому Астон, изучив химию брожения, с 1900 по 1903 проработал химиком на пивоваренном заводе. В это же время он сконструировал аппаратуру для измерения электрических разрядов в вакуумных трубках, за это был награжден стипендией Бирмингемского университета, где с 1903 по 1908 он снова работал с Пойнтингом. Там он исследовал явление, известное как «темное пространство Крукса», названное именем английского физика Уильяма Крукса, которое появляется между катодом и отрицательным свечением, 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 рядом с катодом существует еще одно, первичное, темное пространство (оно называется теперь «пространством Астона»).

В 1909 Астон совершил кругосветное путешествие, а затем стал ассистентом Нобелевского лауреата Дж.Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Королевском институте в Лондоне. Томсон в 1913 поставил перед Астоном задачу усовершенствовать аппарат, называемый сферической сливной трубой, который измеряет соотношение между зарядом и массой для пучка положительно заряженных частиц. Для разделения неона и немного более тяжелого компонента, который Томсон назвал мета-неоном, Астон изобрел метод газовой диффузии, который основан на различии в скорости диффузии для частиц, отличающихся по массе. Для того чтобы измерить массу продуктов диффузии, Астон сконструировал кварцевые микровесы, чувствительные к одной миллиардной доле грамма.

Во время Первой мировой войны Астон работал в Королевском самолетостроительном центре в Фарнборо, где изучал влияние атмосферных условий на обшивку самолетов.

Астон не достиг окончательных результатов с помощью своих микровесов. Тогда в 1919 он сконструировал новый аппарат – масс-спектрограф. Тот 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.

С помощью масс-спектрографа Астон обнаружил, что почти все элементы имеют несколько изотопов. Он изучил изотопный состав хлора и ртути (1919), гелия, аргона, водорода, азота, бора, фтора, криптона, ксенона, кремния, брома, фосфора, мышьяка, серы и иода (1920). Он открыл подавляющее большинство известных ныне стабильных изотопов и точно определил их массу.

В ходе исследований Астон сформулировал правило целых чисел (1919), согласно которому массы атомов всегда выражаются целыми числами, кратными кислородной единице – 1/16 атомной массы кислорода. 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, он обнаружил, что существует 10 изотопов неона с атомной массой 20 на каждый изотоп неона с атомной массой 22, 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. С помощью более мощных спектрографов собственной конструкции Астон смог измерять малые отклонения от правила целых чисел. Ученый объяснил эти отклонения потерей атомной массы в результате ее превращения в энергию связи между частицами внутри ядра. Измерив эти отклонения, Астон в 1927 проставил их против порядкового номера многих элементов и построил так называемую кривую упаковочных коэффициентов, характеризующую энергию связи элементарных частиц в атомных ядрах.

В 1922 году Астону была присуждена Нобелевская премия «за сделанное им с помощью им же изобретенного масс-спектрографа открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за формулирование правила целых чисел». Верный своему девизу: «Еще, еще и еще раз проверь», Астон разработал более крупные и мощные масс-спектрографы (в 1927 и 1935) и продолжал свои исследования.

Его перу принадлежат книги Изотопы (1922), Структурные единицы материального мира (1923), Масс-спектры и изотопы (1933).

Астон никогда не был женат. Его привычки – педантизм, политический консерватизм, религиозность. Он преуспел в финансовых операциях, выгодно помещая деньги, однако был банален в своих суждениях и был плохим педагогом, негодным администратором и скучным лектором. Работы свои он явно предпочитал выполнять без соавторов. Отсутствие духовной активности он компенсировал повышенной эмоциональностью и тягой к спорту, увлекался лыжами, плаванием, альпинизмом, ездой на велосипеде, теннисом и гольфом, любил морские путешествия. Кроме того, был фотографом и музыкантом-любителем – играл на фортепиано, скрипке и виолончели.

Умер 20 ноября 1945 года в Кембридже. В соответствии с завещанием его большое поместье было передано Тринити-колледжу (Кембридж).

Работы: Изотопы. Пер. с англ. М. – П., 1923; Одесса, 1924; Л., 1924; Природа химических сил сродства (Сборник статей). М. – Л., 1925; Масс-спектры и изотопы / Пер. с англ. М., 1948.

Кирилл Зеленин