CHEMIENOBELPREIS 1922: FRANCIS WILLIAM ASTON

Chemienobelpreis 1922: Francis William Aston

 

Der Brite erhielt den Nobelpreis für die Entdeckung von Isotopen in nicht radioaktiven Stoffen mittels des Massenspektrographen sowie für die Entdeckung des Gesetzes der Ganzzahligkeit.

 

 Biografie

 

Francis William Aston, * Harborne 1. 9. 1877, ✝ Cambridge 20. 11. 1945; 1903 Brauereichemiker, ab 1909 Assistent von Joseph John Thomson (Nobelpreis für Physik 1906), während des Ersten Weltkriegs am Royal Aircraft Establishment in Farnborough; ab 1919 Professor und Direktor des Cavendish Laboratory in Cambridge, wies erstmals Isotope bei einem nicht radioaktiven Element (Neon) nach.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Naturwissenschaftler lieben möglichst einfache Naturgesetzmäßigkeiten wie die der Atomgewichte: Alle Atome sind aus den gleichen Bausteinen aufgebaut: Protonen und Neutronen. Beide Bausteine sind nahezu gleich schwer. Dazu kommen noch Elektronen, die jedoch so leicht sind, dass ihr Gewicht im Prinzip vernachlässigt werden kann.Das einfachste Atom ist der Wasserstoff, der aus einem einzigen Proton sowie einem Elektron besteht. Sein für den Laien unmessbar klein scheinendes Atomgewicht legen Naturwissenschaftler als 1,0079 fest. Alle anderen Atomsorten sollten demnach ein ungefähr ganzzahliges Atomgewicht haben. Als Theodore Richards (Nobelpreis 1914) die Atomgewichte erstmals sehr exakt bestimmen konnte, stimmte diese Voraussage tatsächlich für viele Elemente. Helium hat ein Atomgewicht von 4,0026, Kohlenstoff eines von 12,011, Sauerstoff liegt mit 15,9994 nur wenig unter der Ganzzahligkeit, genauso wie das Fluor mit 18,9984. Elemente wie Neon mit einem Atomgewicht von 20,1797, Xenon mit 131,29 oder Chlor mit einem Atomgewicht von 35,4527 aber tanzen so weit aus der prognostizierten Reihe, dass irgendein prinzipieller Fehler in dieser Regel stecken musste. Für die Aufklärung dieser Abweichungen erhielt der Brite Francis William Aston 1922 den Nobelpreis.

 

 Gebrochenes Ganzes

 

Besonders verblüffte die Chemiker und Physiker seiner Zeit, dass Francis Aston die ungeraden Atomgewichte erklären konnte, ohne die Theorie der Ganzzahligkeit aufgeben zu müssen. Manche Elemente bestehen offensichtlich aus Atomen mit verschiedenen Atomgewichten, die trotzdem weitgehend gleiche chemische Eigenschaften haben. Isotope nennen Physiker solche Atome mit verschiedenen Atomgewichten, aber gleichen Eigenschaften. Erstmals waren Isotope bei der Entdeckung und Erklärung der Radioaktivität (Physiknobelpreis 1903) vermutet worden. Auch Theodore Richards (Nobelpreis 1914) und Frederick Soddy (Nobelpreis 1921) hatten sich immer wieder mit diesen Isotopen befasst und ihre Existenz zumindest bei radioaktiven Elementen praktisch bewiesen. Erst Aston aber konnte Isotope auch bei einer ganzen Reihe nicht radioaktiver Elemente nachweisen.

 

Dies gelang ihm mithilfe eines Massenspektrometers, das bereits sein Lehrer Joseph John Thomson (Physiknobelpreis 1906) entwickelt hatte. Das Prinzip dieses Geräts ist einfach: Aus elektrisch neutralen Atomen werden Elektronen herausgeschlagen, die nun positiv geladenen Atome werden in einem elektrischen oder magnetischen Feld abgelenkt. Je größer das Atomgewicht des Teilchens ist, umso geringer ist die Abweichung. Kennt man von einem Atom wie zum Beispiel dem Wasserstoff die Masse, kann man aus seiner Ablenkung im Prinzip die Masse eines anderen Atoms berechnen, wenn man dessen Ablenkung kennt.

 

Indem er eine elektrische Spannung an einen glühenden Draht im Vakuum anlegte, erzeugte Thomson schnelle Elektronen. Gleichzeitig ließ er ein Gas aus dem zu untersuchenden Element ins Vakuum einströmen (die meisten Elemente lassen sich unter bestimmten Bedingungen in ein Gas verwandeln). Daraufhin kollidierten die Atome des gasförmigen Elements mit den aus dem Draht herausgeschlagenen schnellen Elektronen. Bei einem solchen Zusammenstoß werden ein oder mehrere Elektronen aus den Gasatomen herausgeschlagen, letztere verwandeln sich in positiv geladene Ionen. Diese wiederum werden von der negativen Elektrode angezogen und kräftig beschleunigt. Durch ein kleines Loch in der negativen Elektrode können sie den Apparat als Strahl aus positiv geladenen Teilchen verlassen. Dieser wird von elektrischen oder magnetischen Feldern abgelenkt. Je kleiner die Masse der Atome und je größer ihre elektrische Ladung ist (also: je mehr Elektronen aus ihrer Atomhülle herausgeschlagen wurden), umso stärker ist diese Ablenkung. Ein Teilchen mit einer positiven Ladung von Eins wird zum Beispiel dreimal stärker abgelenkt als ein Teilchen mit der dreifachen Atommasse und der positiven Ladung Eins.

 

 Durch Ablenkung zum Ziel

 

Im Prinzip sollten sich mit diesem Apparat die Gewichte verschiedener Isotope bestimmen lassen. Allerdings war Thomsons Gerät noch viel zu ungenau für exakte Analysen. 1919 installierte Aston daher statt eines Sets elektrischer und magnetischer Felder viele Felder an verschiedenen Stellen und mit verschiedenen Winkeln entlang des Strahls aus positiven Ionen. Zwei Atome mit gleicher Ladung, aber geringfügig unterschiedlicher Masse werden durch jedes Feld ein wenig mehr abgelenkt, bis die beiden Atomsorten praktisch vollständig getrennt sind. Sie treffen dann jeweils in einem einzigen Punkt auf einer Fotoplatte auf, mit der die Atome nachgewiesen werden. Durch diese effektive Trennung zweier oder mehrerer Massen in konstante Ströme verschiedener Isotope entstehen Muster auf der Fotoplatte.

 

Diese Muster musste Aston genau analysieren, um das Atomgewicht der einzelnen Isotope zu bestimmen. Bis 1925 hatte der Brite mit 56 weit über die Hälfte aller bekannten Elemente analysiert.

 

Werden rasch zerfallende radioaktive Isotope nicht berücksichtigt, bestehen viele Elemente nur aus einem einzigen stabilen Isotop, alle seine Atome haben daher praktisch das gleiche Atomgewicht. In diese Gruppe gehört das Beryllium mit einem Atomgewicht von 9,0122. Es besteht aus einem Isotop, das vier Protonen und fünf Neutronen sowie vier Elektronen enthält. Das Gleiche gilt für Fluor, dessen einziges stabiles Isotop neun Protonen und zehn Neutronen enthält. Die elf weiteren bekannten Isotope sind so instabil, dass sie spätestens nach einem Tag vollständig zerfallen sind. Als Atomgewicht messen Physiker daher 18,9984 für Fluor. Wasserstoff dagegen besteht aus zwei stabilen Isotopen, von denen eines allerdings so selten vorkommt, dass das Atomgewicht des Wasserstoffs mit 1,0079 trotzdem nahezu ganzzahlig ist. Ähnlich verhält es sich mit Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff.

 

Anders ist die Situation dagegen beim Neon: 90,48 Prozent seiner Atome haben das Atomgewicht 20 mit zehn Protonen und zehn Neutronen. 0,27 Prozent aller Neonatome enthalten ein zusätzliches Neutron, 9,25 Prozent gar zwei zusätzliche Neutronen. Diese beeinflussen zwar die chemischen Eigenschaften nicht, in der Summe aber ergibt sich ein Atomgewicht für Neon, das mit 20,1797 doch deutlich von einer ganzen Zahl abweicht. Jedes Isotop aber besteht aus einer ganzen Zahl von Protonen und Neutronen. Damit aber hatte Francis William Aston das Prinzip der Ganzzahligkeit erhalten.