Френсис Уильям Астон

Основная научная деятельность Астона связана с изучением стабильных изотопов и определением их относительной распространенности; его исследования в этой области были столь обширны, а разработанная им аппаратура - столь чувствительна, что именно ему удалось открыть и охарактеризовать из 276 ныне известных устойчивых изотопов химических элементов.

Френсис Уильям Астон родился 1 сентября 1877 г. в Харборне (графство Бирмингем, Англия) в зажиточной семье фермера и торговца Уильяма Астона и Фанни Шарлотты Холмс - дочери бирмингемского оружейника. Уже в раннем детстве Френсис проявил интерес к механическому конструированию. Завершив начальное образование, Астон в 1893 г. поступил в Масонский колледж Бирмингема, затем -в Бирмингемский университет. В колледже ему посчастливилось заниматься под руководством выдающихся английских ученых - химиков В. Тильдена и П. Франкланда, и физика Дж. Пойнтинга. Учился Астон отлично, и за проявленные успехи в 1889г. был награжден университетской стипендией Фостёра. Связывая свою будущность только с химией, Астон глубоко штудировал курсы органической и ферментативной химии. После окончания университета он из экономических соображений 3 года работал на пивоваренном заводе, а затем вернулся в Бирмингемский университет. В этот период у него сформировался интерес к изучению электропроводности  газов и в 1903 - 1908 гг. Астон проводил физические исследования совместно с Пойнтингом. Ко времени этого сотрудничества относится первое крупное открытие Астона.

С помощью газоразрядных трубок Крукеа он изучал разряд в газах и проводимость газов при низких давлениях. Одну из своих классических работ той поры он посвятил изучению влияния тока и давления газа на толщину "темного пространства Крукса". Заполнив трубку водородом, он обнаружил новое явление ("темное пространство Астона") - первичное катодное темное пространство, которое охватывает катод слоем  мм. Астон доказал, что это явление наблюдается и в атмосфере гелия.

В 1909 г. Астон был назначен ассистентом лектора физики в Бирмингемском универсистете, а в 1910г. начался 9-летний период плодотворнейшего сотрудничества Астона с лауреатом Нобелевской премии по физике Дж. Дж. Томсоном в Кавевдишской лаборатории в Кэмбридже и в Королевском институте в Лондоне (сначала в качестве личного ассистента, а с 1913'г.— стипендиата премии К. Максвелла). Пост, занимаемый Астоном в лаборатории Томсона, позволил ему проводить собственные независимые исследования и максимально реализовать свой талант экспериментатора. Начиная свое сотрудничество с Томсоном, Астон внес ряд важных усовершенствований в приборы и методы Томсона: он сконструировал улучшенную разрядную трубку, добился минимального зазора в катодных щелях, усовершенствовал насос, сконструировал змеевик для регистрации потери вакуума и изобрел камеру для фотографирования следов положительно заряженых ионов ("метод парабол"). При анализе атомных и молекулярных весов положительно заряженных ионов газа Томсон и Астон получили неожиданный результат -неон состоит из двух компонентов (названных позднее изотопами) с атомными весами 20 и 22. Астон пытался сначала разделить их фракционной перегонкой жидкого неона, но потерпел неудачу и решил использовать диффузию неона через пористую белую глину. Для измерения различий в плотности фракций он сконструировал чувствительнейшие для тех лет микровесы (10^-9г) и, проведя тысячу операций диффузии, зарегистрировал небольшую разницу в плотности между двумя фракциями. Эти эксперименты были прерваны войной, во время которой Астон работал консультантом на авиационном заводе в Фарнборо, но и на заводе он продолжал развивать методы разделения изотопов. В соавторстве с Ф. А. Линдеманном им были написаны две статьи, о методах разделения изотопов, которые вышли вскоре после окончания войны. Астон, тогда уже самостоятельный исследователь в лаборатории Томсона, сконструировал новый диффузионный аппарат, но на нем не смог получить доказательный эффект разделения изотопов неона. Тогда он сконструировал свой знаменитый масс-спектрограф, с помощью которого определил, чта соотношение в обычном неоне атомов с массами 20 и 22 равно 10 : 1, следовательно, средний атомный вес неона равен 20,2. Изотония неона таким образом была доказана.

Именно доказательство существования изотопов у неона побудило Астона надолго "до конца жизни" сконцентрировать свои усилия на всестороннем изучении стабильных изотопов. В дальнейшем он еще дважды (в 1927 и 1935 гг.) радикально усовершенствовал свой масс-спектрограф, добившись у последней модели очень высоких рабочих характеристик (разрешающая способность 1 : 2000 и точность 1 : 10^-5).

Астон обнаружил свыше ³/₄ известных ныне стабильных изотопов химических элементов, и лишь изотопию водорода и кислорода ему не удалось доказать. В 1919 г. он ввел в науку "правило целых чисел", полагая, что массы атомов всех изотопов кратны кислородной единице ¹⁶О. Впоследствии была доказана, изотопия кислорода; Астону пришлось отказаться от идеи целых чисел, но он ввел понятие "дефекта масс", в котором получил наглядное выражение эйнштейновский принцип эквивалентности -массы и энергии. Использовав свои экспериментальные данные, Астон построил кривую упаковочных коэффициентов, позволяющих определить, будет ли предсказываемая ядерная реакция выделять или поглощать энергию.

В 1919 г. Астон был избран членом Тринити-колледжа в Кэмбридже (где и проработал до конца своей жизни), в 1921 г.- членом Королевского общества в Лондоне, в 1922т. (с разницей в 2 дня) - награжден Нобелевской премией и медалью Хьюджа, с 1924 г.- чл.-корр. АН .СССР и итальянской академии Линчей. С 1936 по 1945 г. Астон был председателем Атомного комитета при Международном союзе химиков.

В жизни он твердо придерживался выбранного стереотипа поведения; возможно, отсюда вытекают его холостячество, педантизм в привычках, консерватизм в политике и умеренная религиозность. После первой мировой войны он проявил интерес к финансам и быстро достиг высот в искусстве выгодно помещать деньги. В зените славы Астон мало подходил для научно-административной деятельности - он был "лишен  дара руководить людьми и поправлять их; студенты знали его как плохого педагога и скучного лектора. Его высказывания вне физики были банальны, но, по свидетельству Дж. Томсона-сына, это говорилось "с покоряющей скромностью". На  научном поприще он любил работать "в одиночестве, и, как отметил В. Брок, по-видимому, ненавидел саму идею научного сотрудничества: лишь 6 из 143 статей написаны с соавторами. Но было бы ошибкой считать Астона мизантропом и отшельником. Явный недостаток социальной активности высшего духовного уровня у него компенсировался резко выраженной эмоциональностью и страстной потребностью в коллективных спортивных играх..Среди своих многочисленных друзей он был известен как "идеальный воскресный компаньон" - с ним можно было поговорить о людях, о покупке и продаже вещей, о рациональном устройстве загородного дома; он очень любил животных, прекрасно фотографировал (что пригодилось ему в научных исследованиях - он разработал остроумную методику приготовления высокочувствительных к действию положительных ионов фото пластинок), любил живопись и собирал китайский фарфор, виртуозно, играл на скрицке и фортепьяно (но среди музыкальных инструментов особой любовью у него пользовалась виолончель). Он был больщим любителем морских путешествий, принимал участие в альпинистских экспедициях, но особенно любил лыжи, коньки и плавание. В бытность в Кэмбридже любил играть в гольф с Резерфордом, Фаулером, Тейлором; очень хорошо играл в лаун-теннис.

Труды Астона оказали важное влияние на разработку теории атомной структуры в 1930-е гг. О самобытности Астона-ученого , лучше всех сказал Дж. Томсон-сын: "Деятельность Астона-физика стала выдающимся вкладом в науку по двум причанам: первая -его личное  мастерство в проектировании и изготовлении приборов, вторая -его твердая вера в конечный успех, вера, которую не могло поколебать даже отсутствие достаточно убедительных экспериментальных результатов". Умер Френсис Астон 20 ноября 1945г.

ЛИТЕРАТУРА

1. G. С. de Hevesy. In: Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. Vol. 5. 1945—1948, p, 635
2. W. H, Brock. In: Dictionary of, Scientific Biography. Vol. 1. New York, 1970., p. 320.

А. Н.-КРИВОМАЗОВ