В истории науки британский ученый Фрэнсис Астон сыграл важную роль и получил высшую награду, став лауреатом Нобелевской премии по химии. Его исследования изотопов, разновидностей атомов химических элементов и создание масс-спектрографа открыли новое понимание природы мира. Далее на birmingham1.one.
Детство, образование и первые научные успехи
Будущий великий ученый родился в Харбоне, пригороде Бирмингема, в 1877 году. Его отец Уильям и мать Фанни Шарлотта создали благоприятную среду для всестороннего развития ребенка. Уильям Астон зарабатывал фермерством и имел домашние хозяйственных постройки, в которых мальчика привлекали различные инструменты, и он начал создавать собственные механические устройства из затерянных деталей. Мать дала сыну начальное образование и научила игре на фортепиано, скрипке и виолончели. Его музыкальные навыки были настолько впечатляющими, что в зрелом возрасте Фрэнсис выступал в Кембридже. В 1889-1891 годах он обучался в местной школе, а затем поступил в Малвернский колледж, где проявил талант в естественных науках. Фрэнсис продолжил образование в Мейсонском колледже, который в 1900 году получил статус Университета Бирмингема. В учебном заведении ему повезло с преподавателями, среди которых были выдающиеся ученые. Физик Джон Генри Пойнтинг и химик Уильям Тильден обратили внимание на способности юноши и привлекли его к миру науки.
В 1898 году Астон получил престижную премию Форстера и изучал соединения винной кислоты, о чем написал первую научную работу в 1901 году. Однако премиальное финансирование не покрывало всех насущных потребностей, и Астон пошел работать в местную пивоварню.
Научная деятельность в Бирмингеме
Вскоре Фрэнсис отдал предпочтение научным исследованиям. Он вернулся в университет, став ассистентом своего преподавателя и члена Лондонского королевского Общества Джона Генри Пойнтинга, помогая ему в проведении экспериментов. Астона интересовала электропроводность газов, особенно при низком давлении. В конце XIX века начался расцвет естественных наук, сопровождающийся новыми открытиями. Ученые в Бирмингеме обратили особое внимание на газоразрядные трубки, которые британский ученый Уильям Крукс усовершенствовал, что привело к новому взгляду на свойства природных элементов. С помощью таких трубок Крукс заметил неизвестное «темное пространство» и лабораторно подтвердил наличие гелия на Земле. Фрэнсис изучал его работы, но сосредоточился на влиянии тока и давления газа на состояние «темного пространства Крукса». Он наполнил трубку водородом и выявил новое явление, которое назвали «темным пространством Астона». Следует отметить, что ученые, когда открывают новое физическое или химическое явление, о котором невозможно сказать ничего, кроме того, что оно существует, называют его «темным». В 1909 году Астон начал заниматься преподавательской деятельностью в Бирмингемском университете, а в 1910 году ему была присуждена степень бакалавра прикладных наук. Иными словами, он не защищал дипломную работу, а практически продемонстрировал решение новых научных вызовов.
Научная деятельность в Кембридже и Нобелевская премия
Новый подход к изучению поведения газов в различных средах привлек внимание выдающихся ученых. В 1910 году Джозеф Томсон, уже обладатель Нобелевской премии по физике «за исследования прохождения электричества через газы», пригласил Фрэнсиса Астона к сотрудничеству в Кембриджский университет. В 1912 году Томсон сконструировал первый масс-спектрограф, а в 1913 году его модернизировал. Изначально измерительный прибор регистрировал масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и фосгена, а в 1913 году изотопы неона и мета-неона. Томсон хотел, чтобы Фрэнсис усовершенствовал его прибор. Помогая нобелевскому лауреату, Астон улучшил газоразрядную трубку и создал устройство для фотофиксации следов ионов. Позднее он изобрел метод газовой диффузии, основанный на различии скорости диффузии для частиц разной массы, и сверхчувствительные кварцевые микровесы. Первая мировая война повлияла на научные разработки, и Фрэнсису пришлось работать в Королевском авиационном центре, где он усовершенствовал обшивку самолетов для непредвиденных атмосферных условий.
В 1919 году Фрэнсис Астон вернулся к исследованиям, однако микровесы не позволяли достичь желаемых результатов. Молодой ученый в конце концов вернулся к усовершенствованию масс-спектрографа и создал новый мощный измерительный прибор того времени, который имел высокое разрешение и начал изучать изотопы. С помощью нового прибора Астон выявил, что практически все элементы состоят из нескольких изотопов. Он представил научному миру состав хлора, ртути, гелия, аргона, фтора, фосфора и других элементов, а также определил их массу. В процессе научной деятельности Астон вывел правило «целых чисел», которое состояло в том, что массы атомов должны всегда выражаться только целыми числами, кратными кислородной единице. С помощью своего масс-спектрографа ему удалось обнаружить 212 изотопов.
После выдающихся результатов ученого избрали членом Тринити-колледжа в Кембридже. В 1922 году Фрэнсис Астон был отмечен самой высокой научной наградой — Нобелевской премией по химии за изобретение масс-спектрографа, открытие большого количества нерадиоактивных элементов и формулировку правила «целых чисел». В своей Нобелевской лекции, которую Астон прочитал 12 декабря 1922 года, были разъяснены этапы изобретения масс-спектрографа, его техническая «эволюция» и несовершенство правила «целого числа», связанное с превращением водорода в гелий, в процессе которого разрушалась часть его массы. Именно в этом выступлении он ввел понятие «дефекта масс», в котором подтвердил принцип эквивалентности массы и энергии Эйнштейна, а на основе результатов своих экспериментов построил кривую упаковочных коэффициентов, которая позволила определять возможность поглощения или выделения энергии при ядерной реакции. Позднее эти расчеты помогли другим ученым в создании ядерной и водородной бомб. В 1927 году Фрэнсис спроектировал, а в 1935 году существенно модернизировал новый масс-спектрограф больший по размеру и мощности, что позволило измерять отклонения от целых чисел.
Увлечения Фрэнсиса Астона
Будучи великим ученым, Фрэнсису Астону не хватало физической нагрузки, чтобы уравновесить мыслительную деятельность, поэтому свободное время он тратил на спортивные занятия. Его увлекали катание на лыжах, коньках и альпинизм. Летом он предпочитал велосипеды и плавание, любил играть в гольф и теннис, однажды даже выиграл соревнования на чемпионате Уэльса. После появления моторизованного транспорта Френсис собственноручно сконструировал двигатель внутреннего сгорания. В 1902-1903 годах он участвовал в автомобильных гонках. Ученого также привлекали путешествия. В 1908 году он посетил Австралию и Новую Зеландию, а в 1909 году отправился в Гонолулу, где занимался серфингом. Среди его хобби было фотографирование, именно благодаря этому увлечению он создал камеру для фиксации следов изотопов. Кроме того, что ученый преуспел в физике и химии, его сильно привлекала астрономия, особенно солнечные затмения, ради наблюдения за ними Френсис ездил в разные годы в Суматру, Канаду и Японию.
В 2007 году в Бирмингеме была установлена мемориальная доска Фрэнсису Астону, признанному лауреату Нобелевской премии, в знак уважения и благодарности от местных жителей.
