О человеке, отправлявшемся наблюдать каждое доступное солнечное затмение, о создателе одного из главных инструментов химика, о первооткрывателе изотопов у стабильных элементов и дефекта массы рассказывает наш сегодняшний выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Френсис Уильям Астон

Родился 1 сентября 1877 года, Харборн, Великобритания

Умер 20 ноября 1945 года, Кембридж, Великобритания

Лауреат Нобелевской премии по химии 1922 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За сделанное им с помощью им же изобретенного масс-спектрографа открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за формулирование правила целых чисел» (for his discovery, by means of his mass spectrograph, of isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for his enunciation of the whole-number rule).

Френсис Уильям Астон был третьим ребенком Уильяма Астона, преуспевающего торговца скобяными изделиями, и Фанни Шарлотты (Холлис) Астон — дочки оружейного мастера (тоже весьма успешного). Третьим из семи. Семья жила на ферме, учились дети в местной школе в Харборне, а в высшее учебное заведение юноша отправился учиться в Бирмингем.

Почему-то в русскоязычных источниках принято писать, что Астон учился в Масонском колледже. Иногда — даже просто в масонском. Но к масонам это учебное заведение не имеет никакого отношения. Мейсоновский колледж, позже превратившийся в Бирмингемский университет, получил свое имя в честь промышленника и филантропа сэра Джозайи Мэйсона (Mason), основавшего это учебное заведение за два года до рождения нашего героя. Кстати, еще одна интересная деталь об alma mater Френсиса Астона. Он стал первым из восьми нобелиатов – выпускников колледжа-университета. И одним из двух химиков (вторым в 1937 году станет сэр Уолтер Хоуорс — человек, синтезировавший аскорбиновую кислоту). Еще двое стали лауреатами премии мира, и четверо получили свою премию в области физиологии и медицины (включая Мориса Уилкинса, разделившего премию с Уотсоном и Криком).

Первая научная работа Астона была посвящена классической органике, правда, уже тогда с привкусом инструментальной физической химии: он изучал оптические свойства различных производных винной кислоты. Правда, денег было не очень много, и, чтобы получать средства на научные исследования, он по-быстрому изучил химию брожения и устроился технологом на местный пивной завод. И приятно, и полезно, и денежно. Заработанные деньги Астон вкладывал в постройку лаборатории в доме его отца и изучение того, чего хочется.

Надо сказать, что в те годы (самое начало XX века) весь мир был без ума от трубок Крукса (катодных трубок) — закрытых стеклянных сосудов с разреженным газом, через которые протекает электрический разряд.

Поначалу все интересовались катодными лучами, которые в таком разряде направляются от катода к аноду. Великий Томсон получил Нобелевскую премию за то, что показал, что катодные лучи состоят из электронов (и за открытие электронов). Создатель газоразрядных трубок, Филипп Ленард, обиделся на всех: и на Уильяма Крукса, именем которого трубки назвали, и на Рентгена, который открыл с их помощью свое излучение, и на Томсона, который «увел» у него из-под носа открытие электрона. Впрочем, Ленарду тоже дали «Нобеля», что, впрочем, не уменьшило обиды.

Однако, кроме катодных лучей, были и анодные — их фиксировали в каналах катода, потому часто называли не анодными, а канальными. Их открыл немец Евгений Гольдштейн в 1886 году. Здесь поработал еще один нобелевский лауреат, Вильгельм Вин, который в 1899 году сумел построить прибор, который мог разделять канальные лучи в соответствии с соотношением заряд/масса составляющих их частиц. Так был сделан шаг к будущему изобретению Астона.

А теперь, когда научная картина катодных трубок более-менее показана, вернемся снова к течению жизни Френсиса Астона. Научному течению. Дома он создал прибор, который позволил измерять разряды в трубках Крукса. За это он получил стипендию свежесозданного Бирмингемского университета, где следующие пять лет занимался катодными трубками. В эти годы его интересовала проблема так называемого темного пространства Крукса — некая темная область между катодом и началом свечения, всегда присутствующая в газоразрядных трубках. Астон показал, что размеры этой области пропорциональны двум переменным: пропускаемому сквозь трубку электрическому току и давлению в трубке. Но главное открытие Астона состояло в том, что вне зависимости от этих переменных, у самого катода всегда останется некое первичное темное пространство, так называемое темное пространство Астона.

В 1908 году судьба нанесла Астону тяжелый удар: умер его отец. Приходить в себя наш герой решил по рецепту доктора Мортимера из советского фильма про собаку Баскерквилей. Помните, кругосветное путешествие — это лучшее лекарство для истинного джентльмена.

Вернувшись из кругосветки, Астон получил долгожданное назначение лектором в Бирмингемский университет, но уехал в столицу современной физики — в Кавендишскую лабораторию, где его ждал тот самый Джозеф Джон Томсон — человек, воспитавший невероятное количество нобелевских лауреатов, «научный дедушка Капицы».

В 1909 году в мире было модно уже другое: радиоактивные вещества, их превращения друг в друга. Уже получил «Нобеля» ученик Томсона Эрнест Резерфорд — за исследования химии радиоактивных веществ. И примерно тогда начало формироваться понимание того, что существуют изотопы — элементы, имеющие одинаковые свойства, занимающие одну и ту же клетку Периодической системы, но имеющие разную атомную массу. Конечно, впервые идею о радиоактивных изотопах опубликовал Фредерик Содди в 1911 году, а само слово «изотоп» появилось в 1913-м, но за два года идеи уже витали в воздухе.

Томсон задался вопросом, не могут ли изотопы быть у стабильных элементов, и занялся вместе с Астоном поисками изотопов неона. Ученик и учитель создали прибор для перегонки неона, который позволил разделить «обычный» неон и неон более тяжелый («метанеон», по определению Томсона). Для этой работы Астон сконструировал сверхчувствительные весы, которые могли различить одну миллиардную долю грамма.

К 1914 году Томсон и Астон получили очень весомые доказательства того, что изотопы неона действительно существуют. Однако началась Первая мировая война, и ученым пришлось заняться другими делами. Наш герой улучшал самолеты Королевских ВВС Британии: он занимался изучением влияния различных атмосферных условий на полотняную обшивку первых военных аэропланов. Но Астон все еще был занят оставленной в Кавендишской лаборатории проблемой и методами ее решения. Именно во время Первой мировой в его голове и сложилась схема одного из первых в мире масс-спектрометров.

Как мы уже говорили, многое для этого придумал Вильгельм Вин, в том числе сам принцип сортировки потока ионизованных частиц (канальные лучи) в зависимости от соотношения заряд/масса. Созданный Астоном аппарат ускорял положительно заряженные ионы, проходящие 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.

Спектрограф Астона заработал в 1919 году (нужно сказать, что это был не первый масс-спектрометр — в 1918 году подобный прибор создал Артур Демпстер). Тогда же и появилась знаменитая фотография с двумя изотопами неона. В кратчайшие сроки химик открыл огромное количество изотопов, больше, чем кто-либо в истории. Достаточно быстро появился и знаменитый «принцип целых чисел», который гласил: каждый атом имеет целочисленную атомную массу. Дробные атомные массы как раз и объяснялись наличием изотопов и статистикой их распространения в природе. Атомная масса неона 20,2? Это всего лишь говорит о том, что на 10 атомов неона с массой в 20 атомных единиц массы приходится один атом с массой в 22.

Неудивительно, что, когда в 1922 году Нобелевский комитет решал, кому давать премии по химии за 1921 и 1922 годы (они присуждались одновременно), выбор пал на первооткрывателей радиоактивных (Содди) и нерадиоактивных (Астон) изотопов.

Сразу после премии Астон сделал еще одно важнейшее открытие. Усовершенствовав свой масс-спектрограф, он смог показать, что единичные атомы имеют дробную массу. Казалось бы, он опроверг собственный принцип целых чисел (пусть отклонение и было крайне малым), а на самом деле он «залез» на территорию Альберта Эйнштейна, использовав его знаменитую формулу, и открыл дорогу к ядерной энергетике. Так был открыт дефект массы: грубо говоря, все составляющие ядра атома по отдельности суммарно имеют целую массу, но, когда они соединяются, часть массы переходит в энергию связи по формуле E=mc². И наоборот, когда ядро распадается, энергия связи высвобождается.

Так один человек сумел создать один из главных инструментов химика (масс-спектрометр используется в огромном количестве областей химии), открыть изотопы стабильных элементов, а также начать путь человечества к атомной бомбе и атомной электростанции. Причем все главные открытия удалось сделать за пять лет.

Конечно, Астон работал всю жизнь и сделал много другого для науки. Например, продолжая исследовать дефект массы, в 1927 году построил упаковочную кривую, которая характеризовала энергию связи во всех элементах. Да и просто человеком он был неординарным: достаточно сказать, что в биографической статье о нем в разделе «личная жизнь» пишется «лыжник, конькобежец, астроном, высококлассный фотограф, никогда не был женат». Зато съездил в четыре экспедиции наблюдать солнечное затмение (включая затмение 1932 года на Суматре). Удивительный человек!