Le chimiste et physicien britannique Francis William Aston (1877-1945) inventa le spectrographe de masse et découvrit la complexité isotopique des éléments.
Francis Aston est né le 1er septembre 1877 à Harborne, Birmingham, où son père était marchand de métaux et dirigeait une petite ferme. Il a étudié la chimie au Mason College (qui deviendra plus tard l'Université de Birmingham). Dans ses temps libres, il se forme aux divers arts de la construction d'appareils, en particulier le soufflage du verre. Lorsque sa bourse a expiré, il a pris un poste dans une brasserie. Après 3 ans, il est retourné à l'Université de Birmingham. En 1910, une invitation de J. J. Thomson est venue le rejoindre au Cavendish Laboratory de Cambridge.
Séparation des isotopes
Thomson examinait des "rayons" positifs produits dans des tubes à décharge électrique à basse pression. Ceux-ci étaient en fait des atomes dépouillés de tout ou partie de leurs électrons extérieurs et portaient donc une charge positive globale. Thomson avait obtenu des pistes paraboliques en soumettant les rayons à l'application simultanée de champs magnétiques et électrostatiques. Avec l'aide d'Aston, il a découvert que le gaz néon avait un petit composant qui donnait une piste parabolique séparée. Comme chaque parabole était caractérisée par un rapport masse-charge unique, des déductions concernant les masses de particules pouvaient être faites, et il a été conclu que les masses atomiques des composantes majeures et mineures du néon étaient de 20 et 22 respectivement.
Aston a alors tenté de séparer les deux composants par des moyens physiques et de mesurer leurs densités sur une microbalance à quartz de sa propre conception. En 1913, il réalisa une séparation partielle en soumettant le gaz à des diffusions répétées à travers de l'argile à tuyaux; des différences de densité gazeuse faibles mais significatives ont été trouvées pour les deux échantillons obtenus.
Spectrographe de masse
Progressivement, le concept des isotopes devenait plus clair et plus généralement accepté, et en 1919 Aston a élaboré quelques idées sur un nouvel instrument qui pourrait donner des résultats indicatifs de la seule masse. Contrairement à l'appareil de Thomson, l'invention d'Aston utilise des champs magnétiques et électrostatiques produisant des déviations opposées dans le même plan. En focalisant les faisceaux à travers de fines fentes, Aston a obtenu
une série de lignes, dont chacune correspond à une masse de particules définie. La série de lignes était un spectre de masse, et l'instrument original était le premier spectrographe de masse.
Avec cet équipement, Aston a commencé un examen de la composition isotopique de plus de 50 éléments. Dans les cas où ni l'élément ni aucun de ses composés disponibles n'étaient volatils, il a utilisé un produit solide contenant l'élément comme anode de son tube à décharge. Dans presque tous les cas, la masse isotopique était un nombre entier dans les limites de la précision expérimentale (1 sur 1000). La seule exception notable était l'hydrogène, 1,008. Ainsi l'isotopie n'était pas un phénomène rare, comme certains travailleurs l'avaient supposé, mais répandu et affectant la plupart des éléments. Aston a été conduit par ces poids isotopiques intégraux pour conclure que tous les noyaux sont composés de protons (de poids unitaire) et d'électrons de lumière négligeable.
L'importance de valeurs précises pour les masses isotopiques a conduit Aston à concevoir un spectrographe de masse amélioré en 1925, avec une précision de 1 sur 10 000. Un instrument plus tardif (1927) a donné une précision améliorée d'un facteur 10. Avec cet appareil raffiné, il a découvert un grand nombre de nouveaux isotopes, souvent présents en très petites quantités dans l'élément naturel.
Évaluation de son travail
Beaucoup de conséquences importantes ont découlé du travail d'Aston sur le spectrographe de masse. Comme il le reconnaissait lui-même, le poids isotopique fractionnaire de l'hydrogène impliquait que s'il était converti en hélium, des quantités substantielles de la masse seraient converties en énergie. En utilisant la relation de relativité d'Albert Einstein, Aston a prédit que l'énergie libérée dans une réaction nucléaire de ce genre serait énorme. Ses opinions étaient justifiées lorsque la première bombe atomique a été explosée quelques mois avant sa mort.
L'importance la plus immédiate du spectrographe de masse a été sa capacité à fournir des données sur les masses nucléaires avec une grande précision, jetant ainsi les bases de l'industrie de l'énergie atomique. Plus récemment, le spectromètre de masse s'est avéré un outil indispensable pour les investigations structurelles en chimie organique.
L'importance du travail d'Aston fut rapidement reconnue et, en 1921, il fut élu membre de la Royal Society. L'année suivante, il a reçu le prix Nobel de chimie. Son livre faisant autorité Isotopes est apparu en 1922 et a été suivi de nombreuses autres éditions jusqu'en 1941. Son autre livre, Mass Spectra and Isotopes, est apparu en 1933.
Autres intérêts
En plus de son travail au Laboratoire Cavendish, Aston a apporté de précieuses contributions scientifiques à l'étude des éclipses astronomiques. En 1925, il a photographié la couronne du soleil de Sumatra. Il fit des expéditions pour étudier les éclipses solaires de 1932 et 1936 respectivement au Canada et au Japon, mais les nuages empêchaient les observations directes. Cependant, Aston a pu étudier la polarisation de la lumière dans le voisinage du soleil éclipsé.
Aston ne s'est jamais mariée. Il était souvent accompagné dans ses voyages par sa soeur, Helen, à qui il était profondément dévoué. Il est décédé à Trinity College, Cambridge, le 20 novembre 1945.
Lectures complémentaires sur Francis William Aston
Il n'y a pas de biographie complète d'Aston. Edvard Farber, ed., Grands chimistes (1961), contient une courte biographie, et une source ancienne mais toujours utile, Bernard Jaffe, Creusets: Les vies et les réalisations des grands chimistes (1932), offre un compte rendu adéquat de la vie et du travail d'Aston. Les Conférences Nobel de la Fondation Nobel, y compris les Discours de Présentation et les Biographies des Lauréats: Chimie, 1922-1941 (1967) contiennent une brève biographie et un résumé de l'œuvre pour laquelle Aston a reçu le prix. F. J. Moore, Une histoire de la chimie, révision préparée par William T. Hall (1939), comprend un bref aperçu d'Aston et place son travail dans une perspective historique.