Aston Aston

Aston, el inventor del espectrómetro de masas

Francis Wiliam Aston 1877-1945

Aston fue un físico británico. Se dedica desde hace mucho tiempo a la investigación de isótopos y espectrometría de masas. Construyó el primer espectrómetro de masas altamente enfocado y lo utilizó para medir los isótopos y la abundancia de muchos elementos, confirmando la ubicuidad de los isótopos. Al mismo tiempo, basándose en el estudio de los isótopos, también propuso la ley entera de la masa de los elementos. Ganó el Premio Nobel de Química en 1922.

Experimentos previos y resultados preliminares

En 1897, el famoso físico británico Joseph John Thomson descubrió los electrones en estudios cualitativos y cuantitativos de rayos catódicos. Un rayo catódico es una corriente de electrones. El descubrimiento rápidamente provocó una reacción violenta. La gente sólo sabe que hay electrones más pequeños que los átomos que componen todos los elementos, y que los átomos también son divisibles. Esto atrajo a más científicos a estudiar los rayos catódicos y explorar la estructura atómica.

En 1898, el físico alemán Wayne descubrió que no sólo los rayos catódicos se desvían en los campos magnéticos y electrostáticos, sino que algunos flujos de iones positivos también se ven afectados por los campos magnéticos y electrostáticos. Este flujo de iones positivos desde el tubo de descarga de gas también se denomina rayos positivos. Thomson, que había logrado grandes logros en la investigación de los rayos catódicos, se dedicó al estudio de los rayos positivos en 1905. En su investigación, descubrió que cuando se cargaba neón en un tubo de descarga para experimentos, aparecían dos trayectorias parabólicas de rayos positivos bajo la acción de un campo magnético o un campo electrostático. Después de más investigaciones, midió que los pesos atómicos representados por estas dos parábolas eran 20 y 22 respectivamente. En aquella época se aceptaba que el peso atómico del neón era 20,18. Entonces Thomson pensó que podría ser neón (Ne) y una mezcla de neón y H2. Aunque Soddy ya había propuesto el concepto de isótopos en aquel momento, Thomson tenía una actitud negativa hacia este concepto, por lo que no pudo dar una explicación más razonable a sus resultados experimentales.

Aston se graduó en la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. Durante sus estudios universitarios, especialmente cuando era estudiante de posgrado en física, ya había demostrado su destacado talento en la fabricación de instrumentos y habilidades experimentales. Después de graduarse, su mentor Yin Boting lo mantuvo como asistente. En ese momento, Thomson, como director del Laboratorio Cavendish, una famosa institución de investigación científica, necesitaba urgentemente contratar a un asistente, alguien que fuera bueno fabricando instrumentos y tuviera ciertas habilidades experimentales. Para un desarrollo más rápido y un mejor futuro de Aston, Yin Boguan recomendó generosamente a su orgulloso asistente Aston a Thomson. De esta manera, Aston llegó a este talentoso Laboratorio Cavendish y comenzó una nueva carrera investigadora.

Thomson le dio a Aston una tarea importante, que era mejorar el dispositivo experimental de descarga de gas que estaba haciendo para estudiar los rayos positivos con el fin de determinar con mayor precisión la desviación de los rayos positivos en el campo electromagnético, determinando así la composición y Peso atómico del neón. Bajo la dirección de Thomson, el inteligente Aston fabricó un tubo de descarga esférico y un cátodo con muescas, mejoró la bomba de vacío, inventó un solenoide que podía detectar fugas de vacío en el tubo de descarga y una cámara que podía registrar trayectorias parabólicas. Estas mejoras han mejorado significativamente el nivel experimental y también han mejorado los métodos experimentales. Modificando el dispositivo, dispusieron los campos eléctrico y magnético uno frente al otro pero en direcciones perpendiculares entre sí, y la fuerza fue paralela al rayo normal pero en direcciones opuestas. En este dispositivo experimental, bajo la acción de dos campos, los rayos positivos se desvían en direcciones opuestas después de pasar a través de prismas hechos de diferentes vidrios y luego se enfocan en el mismo punto, de modo que los isótopos de los elementos gaseosos detectados en la película fotosensible B son La curvatura de la curva de deflexión será diferente debido a diferentes pesos atómicos y diferentes velocidades de rayos positivos. A partir de esto se pueden medir los isótopos y sus pesos atómicos.

El joven Aston tiene una mente activa y se atreve a aceptar cosas nuevas. Es diferente de Thomson. Cuando estudió detenidamente la hipótesis isotópica de Sudy, inmediatamente creyó que podía establecerse. Usó el concepto de isótopos para explicar sus hallazgos en experimentos. Bajo la acción del campo electromagnético aparecen dos trayectorias parabólicas de rayos positivos, lo que indica que el isótopo existe. Debido a las diferentes masas de los isótopos, la velocidad de difusión también es diferente, lo que da como resultado una hermosa trayectoria parabólica. Para confirmar esto más claramente, primero utilizó la tecnología de fraccionamiento, luego el método de difusión para separar los isótopos de neón y, finalmente, midió con precisión sus pesos atómicos, confirmando la existencia de Ne20 y Ne22. En 1913, en una reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, Aston leyó un artículo escrito sobre estos trabajos y realizó una demostración experimental mostrando dos muestras de isótopos de neón. Sus colegas elogiaron su investigación. También ganó el premio Maxwell.

Inventando el espectrómetro de masas para probar isótopos

Tras el estallido de la Primera Guerra Mundial, Aston se alistó en el ejército y fue a un departamento de la Royal Air Force para dedicarse a investigaciones científicas en tiempos de guerra. . Aunque estuvo en el campamento militar, nunca olvidó pensar y organizar sus investigaciones previas sobre rayos e isótopos positivos. Imagínese si se pudiera inventar un instrumento para determinar la presencia de isótopos en varios elementos. Entonces su investigación puede tener nuevos avances. Para ello, esperó hasta que la guerra terminara; se apresuró a regresar al laboratorio de Cavendish y comenzó una nueva investigación.

Poco después de que Aston regresara al Laboratorio Cavendish, Thomson se convirtió en Decano del Trinity College de la Universidad de Cambridge. El famoso físico Rutherford asumió el trabajo original de Thomson y se convirtió en Decano de la Universidad de Cambridge. Laboratorio. Rutherford propuso por primera vez la teoría de la mutación aleatoria de elementos radiactivos y así entendió la hipótesis de los isótopos. Le dio a Aston un gran estímulo y orientación específica en su trabajo, lo que hizo que Aston tuviera más confianza en la realización de su plan.

Basándose en su original dispositivo de descarga de gas mejorado para medir rayos positivos y refiriéndose a los principios del análisis espectral de la época, Aston diseñó un nuevo instrumento, compuesto por una fuente de iones, un analizador y un colector usado. analizar isótopos y medir su masa y abundancia. Este es un espectrómetro de masas. La sección de fuente de iones se utiliza para estudiar las sustancias cuyos isótopos se convierten en iones, que luego fluyen a través del analizador. Bajo la influencia de campos eléctricos y magnéticos constantes, los iones de cada isótopo llegan al colector por caminos diferentes debido a sus diferentes masas. La masa y abundancia de cada isótopo se pueden medir a partir de su posición e intensidad en el colector. El instrumento desarrollado por Aston también puede denominarse espectrómetro de rayos positivos. Es la cristalización de su estudio de los rayos positivos y los isótopos. La precisión de los resultados de medición de este instrumento es una milésima. Por tanto, utilizar este instrumento ayudaría a Aston a demostrar su talento en la investigación de isótopos.

Utilizó por primera vez este nuevo instrumento para continuar su investigación de antes de la guerra y volvió a medir el neón, demostrando que efectivamente hay dos isótopos, Ne20 y Ne22, en el neón, y que su proporción en el neón es de aproximadamente 10. :1, por lo que el peso atómico promedio del neón es aproximadamente 20,2 (investigaciones posteriores descubrieron que hay un tercer isótopo Ne21 en el neón, y el peso atómico promedio del neón es 20,655). Luego, Aston utilizó un espectrómetro de masas para medir los isótopos de casi todos los elementos. Los resultados experimentales muestran que los isótopos existen no sólo en elementos radiactivos, sino también en elementos no radiactivos. De hecho, los isótopos se encuentran en casi todos los elementos. Inicialmente, Suddy y Richards confirmaron la existencia de isótopos basados ​​en los productos de desintegración de elementos radiactivos. Ahora, con la ayuda de espectrómetros de masas, se ha descubierto que la presencia de isótopos es un fenómeno común. Aston descubrió 71 isótopos en 202 elementos. Los elementos han sido durante mucho tiempo los principales objetos de la investigación química. Sólo hoy, gracias al excelente trabajo de Aston, se ha descubierto que los Elements tienen un contenido tan rico.

La investigación de isótopos resolvió dos casos sin resolver.

El uso de espectrómetros de masas y estudios de isótopos también resolvió un problema confuso y debatido durante mucho tiempo. Desde que el médico británico Plaut propuso en 1815 la hipótesis de que el peso atómico de todos los elementos es un múltiplo entero del peso atómico del hidrógeno, la gente se ha mostrado escéptica acerca de esta hipótesis. Al principio, algunos químicos pensaron que esto era razonable, pero los resultados de las determinaciones precisas de los pesos atómicos sólo los frustraron. Cuando Mendeleev propuso la ley periódica de los elementos, que revelaba la regularidad de las conexiones intrínsecas entre los elementos, algunos químicos reexaminaron la hipótesis de Plaut y pensaron que podría ser correcta. En ese momento, el químico británico Crookes propuso en un artículo titulado "La generación de elementos": "Los llamados elementos o sustancias simples son en realidad compuestos, y todos los elementos se condensan gradualmente a partir de una sustancia primitiva". La determinación precisa de los pesos atómicos realizada por Starr rechazó una vez más la hipótesis de Plaut. Por supuesto, la comunidad científica no podía aceptar el punto de vista de Crooks.

La ley periódica de los elementos químicos de Mendeleev se considera confiable, pero en la tabla periódica, el potasio y el argón, el cobalto y el níquel, el teluro y el yodo no están ordenados en el orden de peso atómico, sino en el orden de peso atómico. peso. ¿Por qué? Hasta principios del siglo XX la gente todavía estaba confundida.

Aston utilizó un espectrómetro de masas para realizar estudios isotópicos de muchos elementos, no sólo señalando que casi todos los elementos tienen isótopos, sino también confirmando que un elemento en la naturaleza es en realidad una mezcla de varios isótopos de ese elemento. por lo que el peso atómico de un elemento es también el peso atómico medio obtenido en base a las diferentes proporciones de estos isótopos en la naturaleza. El cloro, por ejemplo, siempre ha sido considerado el mejor ejemplo para refutar la hipótesis de Plaut. Su peso atómico es 35,457.

Según las mediciones, existen dos isótopos de cloro en la naturaleza: Cl35 y Cl37. Su abundancia es cl35:cl37 = 3:1. La llamada abundancia es el porcentaje de isótopos de este elemento en la naturaleza. Entonces el peso atómico del cloro no es 35 ni 37, sino 35,46. Ésta es la razón por la que los pesos atómicos de la mayoría de los elementos no son números enteros. Entonces Aston está hablando de la ley de los enteros de la masa del elemento. ¿Por qué la masa del elemento tiene una ley entera? A medida que se revelen los secretos de la estructura atómica y las partículas básicas como los protones y los neutrones, este problema se resolverá.

La medición de isótopos de Aston y su abundancia muestra que el argón y el potasio tienen tres isótopos respectivamente, y sus abundancias son: Ar36:Ar38:Ar40 = 0,31:0,06:99,63, K = 39:K40 : K41 = 93,31 : 0,00. Aunque el peso atómico promedio del neón es mayor que el del potasio, su número atómico, es decir, la carga nuclear del átomo, es de hecho menor que el del potasio, por lo que la tabla periódica de elementos de Mendeleev es correcta. Lo mismo ocurre con el cobalto y el níquel, el telurio y el yodo. Así que la investigación de isótopos de Aston resolvió otro caso sin resolver.

El trabajo de Aston fue inmediatamente elogiado por la comunidad científica. En una carta a varios colegas científicos, Rutherford dijo: "Aston descubrió isótopos de neón, cloro, mercurio y otros elementos usando el espectrómetro de masas que inventó. He mirado todas las fotografías relevantes y los resultados parecen ser positivos. Aston es un Buen experimentador y muy hábil y merece este éxito por sus muchos años de arduo trabajo ”

Una tradición de excelencia y una gran cantidad de actividades.

Aston tiene un dicho famoso: "Se deberían fabricar más instrumentos y se deberían realizar más mediciones". Esto es en realidad una tradición del Laboratorio Cavendish, que exige que los científicos aprendan a fabricar sus propios instrumentos y a fabricar sus propios instrumentos. propias mediciones. Realice experimentos y conviértase en un excelente científico a través del entrenamiento en habilidades experimentales básicas. Esta famosa cita es también un reflejo de la propia carrera de investigación científica de Aston. Después de ganar el Premio Nobel de Química en 1922, todavía insistió en trabajar en el laboratorio y realizó nuevas mejoras y perfecciones en el espectrómetro de masas, hasta el punto de que posteriormente fabricó tres instrumentos con una amplificación de 2000 veces y una precisión de 1. /100.000. Espectrómetro de masas. Actualmente, los espectrómetros de masas han detectado 489 isótopos en la Tierra, incluidos 264 isótopos estables y 225 isótopos radiactivos naturales. Además, se han descubierto más de 2.000 isótopos radiactivos artificiales. Por supuesto, en el proceso de construcción de este tesoro de conocimiento, hay otra contribución importante de Aston.

Aston no sólo es bueno en experimentos, sino también un excelente experimentador con amplios intereses y profundos conocimientos. Para adaptarse a su dura vida a largo plazo en el laboratorio, le gusta mucho viajar e insiste en practicar deportes. Además de sus magníficas habilidades experimentales, también fue un hábil fotógrafo y músico aficionado. En definitiva, su vida es mucho menos monótona de lo que mucha gente piensa. También es un emprendedor que sabe recaudar fondos y tiene capacidad operativa. De los vastos activos acumulados por el Trinity College de Cambridge en la actualidad, Aston recaudó ese año.

1945 165438+El 20 de octubre, Houston murió de una enfermedad en la Universidad de Cambridge a la edad de 68 años. Sus destacadas contribuciones a la ciencia le valieron muchos honores. Para conmemorarlo, muchos de los instrumentos que fabricó e inventó se han conservado y exhibido especialmente en el Museo de Londres y en el Museo del Laboratorio Cavendish.