Фрэнсис Уильям Астон

Краткая биография

Жизнь и работа

Фрэнсис Уильям Астон родился 1 сентября 1877 года в Харборне, неподалёку от Бирмингема. Сначала он изучал химию в Mason College, позднее вошедшем в состав Бирмингемского университета, а затем работал химиком на пивоваренном производстве. Интерес к физике постепенно привёл его обратно в лабораторию, где он занялся электрическими разрядами в газах. В 1910 году Джозеф Джон Томсон пригласил Астона в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета для исследований так называемых положительных лучей — потоков положительно заряженных ионов.

В то время само понятие химического элемента переживало серьёзную перестройку. Химики привыкли считать, что атомы одного элемента должны иметь одну характерную атомную массу. Но измерения всё чаще давали результаты, которые трудно было согласовать с такой простой картиной. Фредерик Содди предложил понятие изотопов — разновидностей одного элемента с одинаковыми химическими свойствами, но различной массой. Оставалась практическая проблема: как непосредственно различить такие атомы и измерить их массы.

Ещё до Первой мировой войны Астон участвовал в исследованиях неона. В экспериментах с положительными лучами появлялись признаки того, что обычный неон может содержать атомы разной массы. Астон даже пытался физически разделить предполагаемые разновидности неона с помощью методов очистки газов. Результаты были ограниченными. Война прервала исследования, и несколько лет он работал в Royal Aircraft Establishment. Вернувшись в Кембридж в 1919 году, Астон подошёл к задаче иначе: вместо попыток сначала получить изотопы в отдельных пробирках он решил различать их непосредственно по движению ионов.

Созданный им масс-спектрограф использовал последовательное воздействие электрического и магнитного полей. Заряженные частицы отклонялись по-разному в зависимости от их массы и заряда, а система фокусировки позволяла получать на фотопластинке отдельные линии для ионов с различным отношением массы к заряду. В статье «A Positive Ray Spectrograph», опубликованной в 1919 году, Астон описал устройство и показал высокую для своего времени точность нового метода.

Особенно наглядным оказался неон. Прибор позволил убедительно разделить сигналы его основных изотопов с массами около 20 и 22. Это объясняло, почему средняя атомная масса природного неона не является целым числом: образец представляет собой смесь атомов разных масс. Астон начал систематически исследовать другие элементы и обнаружил изотопы у многих из них. Химический элемент больше нельзя было автоматически представлять как совокупность совершенно одинаковых по массе атомов.

Из этих измерений возникло и знаменитое «правило целых чисел». Астон заметил, что массы большинства исследованных им изотопов очень близки к целым значениям на принятой тогда шкале атомных масс. Средняя атомная масса элемента могла быть дробной именно потому, что она отражала смесь нескольких изотопов. Более точные измерения впоследствии обнаружили небольшие отклонения от целых значений. Развитие ядерной физики показало, что масса ядра связана с его внутренней энергией и энергией связи: различие между простой суммой масс составляющих частиц и массой связанного ядра получило название дефекта массы.

В 1922 году Астон получил Нобелевскую премию по химии за открытие с помощью масс-спектрографа изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел. Важно, однако, не превращать эту историю в открытие, совершённое одним человеком. Само понятие изотопов сформировалось благодаря работам Содди, первые наблюдения разных массовых компонентов неона были связаны с исследованиями Томсона, а параллельно новые методы анализа ионов развивал Артур Демпстер. Вклад Астона состоял в создании особенно эффективного метода точного разделения и измерения изотопных масс и в его систематическом применении к элементам.

Масс-спектрометрия далеко ушла от фотографических пластинок Астона. Современные приборы используют разные способы ионизации, анализаторы масс, электронные детекторы и компьютерную обработку спектров. Они способны исследовать не только атомы, но и сложные органические молекулы, липиды, метаболиты, лекарственные соединения, пептиды и белки. В протеомике масс-спектрометрия позволяет идентифицировать тысячи белков по массам и фрагментам их пептидов; в метаболомике — обнаруживать и количественно измерять небольшие молекулы; изотопные метки помогают прослеживать пути веществ через биохимические реакции.

Поэтому связь между прибором Астона и современной молекулярной биологией не просто историческая. Основная логика осталась узнаваемой: молекулу или атом превращают в ион, измеряют поведение заряженной частицы и по этому сигналу получают информацию о её массе и составе. Астон продолжал совершенствовать свои масс-спектрографы, работал в Кембридже, был избран членом Лондонского королевского общества и занимался исследованиями изотопов на протяжении многих лет. Он умер 20 ноября 1945 года в Кембридже.