В історії науки британський вчений Френсіс Астон відіграв велике значення й здобув найвищу нагороду ставши лауреатом Нобелівської премії з хімії. Його дослідження ізотопів, різновидів атомів хімічних елементів та створення потужного мас-спектрографа відкрили нове розуміння природи світу. Далі на birmingham1.one.
Дитинство, освіта та перші наукові досягнення
Френсіс Астон народився у Гарбоні, передмісті Бірмінгема у 1877 році. Він виріс у заможній родині фермера. Його батько Вільям та мати Фані Шарлотта створили сприятливе середовище для всебічного розвитку дитини. У батькових господарчих будівлях хлопчика приваблювали різні інструменти й він почав створювати власні механічні прилади з занедбаних деталей. Мати дала синові початкову освіту та навчила грати на фортепіано, скрипці й віолончелі. Його музичні уміння були настільки дивовижними, що у зрілому віці Френсіс давав концерти у Кембриджі. У 1889-1891-х роках він навчався у місцевій парафіяльній школі, а згодом вступив до Малвернського коледжу, де проявив свій талант у природничих науках. Френсіс продовжив освіту у Мейсонському коледжі, який отримав статус Університету Бірмінгема у 1900 році. У навчальному закладі йому пощастило з викладачами, серед яких були видатні науковці. Фізик Джон Генрі Пойнтінг та хімік Вільям Тільден звернули увагу на здібності юнака та долучили його до наукового середовища.
У 1898 році Астон отримав престижну премію Форстера й вивчав сполуки винної кислоти, про що написав першу роботу у 1901 році. Однак стипендія не покривала всіх нагальних потреб і Астон пішов працювати у місцеву броварню.
Наукова діяльність у Бірмінгемі
Через деякий час Френсіс віддав перевагу науковим розробкам. Він повернувся в університет ставши асистентом свого викладача та члена Лондонського королівського Товариства Джона Генрі Пойнтінга й допомагав йому проводити досліди. Астона цікавила електропровідність газів, особливо при низькому тиску. Наприкінці ХІХ століття почався розквіт природничих дисциплін, який супроводжувався новими відкриттями. Наукові діячі у Бірмінгемі звернули особливу увагу на газорозрядні трубки, які британський вчений Вільям Крукс вдосконалив, що призвело до нового погляду на властивості природних елементів. За допомогою таких трубок Крукс помітив невідомий “темний простір” й лабораторно підтвердив наявність гелію на Землі. Френсіс вивчав його роботи, але сфокусував дослідження на вплив струму та тиску газу на товщину “темного простору Крукса”. Він заповнив трубку воднем й виявив нове явище, яке назвали “темним простором Астона” та довів, що такий феномен спостерігається в атмосфері гелію. Варто відзначити, що науковці, коли відкривають нове фізичне або хімічне явище, про яке неможливо сказати нічого, крім того, що воно існує, називають його “темним”. У 1909 році Френсіс Астон почав викладати у Бірмінгемському університеті, а у 1910 році йому був присуджений ступінь бакалавра прикладних наук. Тобто він не захищав дипломну роботу, натомість практично продемонстрував вирішення нових наукових викликів.
Наукова діяльність у Кембриджі та Нобелівська премія
Новий підхід до вивчення поведінки газів у різних середовищах привернув увагу визначних вчених. У 1910 році Джозеф Томсон, на той час вже володар Нобелівської премії з фізики “за дослідження проходження електрики через гази” запросив Френсіса Астона до співпраці у Кембридзький університет. У 1912 році Томсон сконструював перший мас-спектрограф, а у 1913 році його модернізував. Спочатку вимірювальний апарат фіксував мас-спектри молекул кисню, азоту, чадного газу, вуглекислого газу та фосгену, а у 1913 році ізотопи неону та метанеону. Томсон поставив перед асистентом завдання удосконалити прилад. Допомагаючи нобелівському лауреату Астон покращив газорозрядну трубку й створив пристрій для фотографування слідів іонів. Згодом винайшов метод газової дифузії, який базується на відмінності швидкості дифузії для частинок різних за масою та сконструював кварцеві мікротерези, чуттєві до однієї мільярдної частки грама. Перша світова війна вплинула на наукові розробки й Френсісу довелось працювати у Королівському літакобудівному центрі, де він удосконалював обшивку літаків для непередбачених атмосферних умов.
У 1919 році Френсіс Астон повернувся до досліджень, однак мікротерези не дозволили досягти бажаних результатів. Молодий вчений врешті повернувся до вдосконалення мас-спектрографа й зібрав новий надпотужний вимірювальний апарат того часу, який мав високу розподільну здатність та почав вивчати ізотопи. За допомогою нового пристрою Астон виявив, що майже всі елементи мають кілька ізотопів. Він представив науковому світу склад хлору, ртуті, гелію, аргону, фтору, фосфору та інших елементів й точно визначив їх масу. У процесі наукових доробок Астон сформулював правило “цілих чисел”, згідно з яким маси атомів завжди виражаються цілими числами, кратними кисневій одиниці. За допомогою свого апарату, він виявив 212 природних ізотопів різних елементів.
Після виняткових результатів науковця обрали членом Трініті-коледжу в Кембриджі. У 1922 році Френсіс Астон був відзначений найвищою науковою нагородою – Нобелівською премією з хімії за винахід мас-спектрометра, відкриття великої кількості нерадіоактивних елементів та визначення правила “цілих чисел”. У своїй Нобелівській лекції, яку Астон прочитав 12 грудня 1922 року, було роз’яснено етапи винаходу мас-спектрографа, його технічну “еволюцію” та недосконалість правила “цілого числа”, пов’язане з перетворенням водню у гелій, у процесі чого руйнувалась частина його маси. Саме у цій промові він ввів поняття “дефекту мас”, у якому підтвердив принцип еквівалентності маси та енергії Ейнштейна. Астон використав власні експериментальні дані й вибудував криву пакувальних коефіцієнтів, яка дозволила визначати можливість поглинання або виділення енергії при ядерній реакції. Пізніше ці розрахунки допомогли створенню іншими вченими ядерної та водневої бомб. У 1927 році Френсіс спроєктував, а у 1935 році радикально вдосконалив новий мас-спектрометр більший за розміром та потужністю, що дозволило вимірювати відхилення від цілих чисел.
Вподобання Френсіса Астона
Бувши великим вченим, Френсісу Астону не вистачало фізичного навантаження, щоб урівноважити розумову працю, тому вільний час він витрачав на спортивні заняття. Його захоплювали катання на лижах та ковзанах, альпінізм, тому Астон регулярно відвідував Швейцарію й Норвегію. Влітку він віддавав перевагу велосипедам та плаванню, любив грати у гольф та теніс, одного разу навіть виграв змагання на чемпіонаті в Уельсі. Після того, як з’явився моторизований транспорт, Френсіс власноруч сконструював двигун внутрішнього згоряння. У 1902-1903-х роках він брав участь в автомобільних перегонах. Приваблювали науковця й подорожі. У 1908 році він відвідав Австралію та Нову Зеландію, а у 1909 році поїхав у Гонолулу, де займався серфінгом. Серед його хобі було й фотографування, саме завдяки цьому захопленню він створив камеру для фіксації слідів ізотопів. Попри те, що його основна наукова діяльність була пов’язана з фізикою та хімію, він любив астрономію й був учасником експедицій з вивчення сонячних затемнень у Суматрі, Канаді та Японії.
У 2007 році у Бірмінгемі встановили меморіальну дошку Френсісу Астону, визнаному лауреату Нобелівської премії, як вираз пошани та вдячності від місцевих жителів.
