质谱仪是怎么发明的?

F.卡文迪许实验室的工作人员w·阿斯顿曾经帮助J·J·汤姆逊研究正电子射线。经过长期实践,他发明了质谱仪,从而获得了1922诺贝尔化学奖。

1877九月1阿斯顿诞生于英国工业革命的发源地伯明翰。他的祖父是一个制枪的,所以他在很小的时候就有机会接触金工和手工艺,并培养了他的技能。当他还是个孩子的时候,他喜欢制作机械玩具。他在家里成立了一个金属加工车间,进行了许多工具创新,甚至还自制了摩托车。他还喜欢做化学和真空实验。伦琴发现了X射线的消息,启发他尝试自己制作X射线管。为了提取真空,他发明了一种新的普伦奇真空泵,并用它来研究放电管中的克鲁克斯暗区。1903年,他发现了一个特殊的暗区,叫做阿斯顿暗区。1909阿斯顿是伯明翰大学的物理学讲师。

就在这时,Just汤姆逊在卡文迪许实验室进行的正字法研究取得了一些成果。这项实验技术相当复杂,需要有经验的技术人员协助。因此,J·J·汤姆逊向他的朋友J.H .比丁寻求一个重要的人物,波音汀向他推荐了他的学生阿斯顿。1910年,阿斯顿来到卡文迪许实验室,成为J·J·汤姆逊的助手。

J·J·汤姆逊对正字法的研究已经进行了好几年,前后发表了八篇论文。这项工作最初是W.Wien在1898中完成的canal ray研究的继续,但J·J·汤姆逊已经作了相当大的改进。实验的基本方法是用磁场和电场偏转法向光线,在屏幕上或照片中显示抛物线轨迹,从而粗略计算其荷质比和速度。但图像很差,有时甚至无法识别不同部件的轨迹。

阿斯顿参与orthoray的工作后,对实验装置进行了多次改进。他用一个大的玻璃球壳作为低压放电管,设计并制备了适合拍摄抛物线轨迹的专用相机,并制作了非常灵敏的应时微量天平,用于测量气体分离后的密度。1912年夏天,他做了一个改进的正射线测量仪。球壳内的空气被抽空后,从照片中可以看到一系列的抛物线。这些抛物线分别是碳、氧、钴、二氧化碳、氢、H2和汞离子的轨迹。虽然仪器分辨率不高,但质量差10%的抛物线都可以分离。

这时,汤姆逊从他在皇家研究所的同事J .杜瓦那里得到了用于氖管的氖气。当他把氖装入放电球壳时,出乎意料的是,原子量为20.2的氖出现了两条抛物线,一条很粗,一条是22原子质量单位,非常暗淡。

实验者没有放过这种异常情况。后来他才知道,这些其实是氖的同位素20Ne和22Ne,但是在1913年,索迪并没有完成同位素的工作,甚至连同位素这个术语都没有出现。J·J·汤姆逊做了初步估计,认为它可能是一种特殊的分子NeH2,其分子量正好是22。

但阿斯顿拒绝接受这一判决,他希望通过事实得出结论。于是他找了最纯净的霓虹来测试,结果还是两条抛物线,和之前一模一样,这更加坚定了阿斯顿的信心,认为这是两条不同的霓虹。

阿斯顿想用各种方法证明两种氖的存在,一是把这两种不同质量的物质分开,二是进一步改进正射线偏转法。他首先用液态空气冷却的活性碳分馏氖,但是失败了。之后用多孔陶瓷管扩散法分馏,效果不显著。从1914开始,他改用自动连续扩散的方法,可惜没有用低温冷却,效果还是不大。

不久,战争爆发,阿斯顿进入范堡罗的皇家飞机制造厂担任化学技师。虽然离开了实验室,但他还是经常想把脑子里的霓虹分开。他不太懂物理,所以很少有机会和大科学家讨论问题。战争期间,一群物理学家聚集在飞机制造厂。他利用业余时间和这些物理学家探讨正射线的问题,从他们身上学到了很多理论知识,甚至是量子论。

由于科学家的鼓励和他自己的不断思考,当他在1919年回到卡文迪许实验室时,他立即着手通过电磁聚焦分离两种不同种类的氖,后来他成功了。阿斯顿称他的仪器为质谱仪。

在这个问题上,J·J·汤姆逊显然不像他的助手那样热心。虽然他不坚持NeH2,但他不承认这两种成分是氖的同位素。他认为同位素的概念只能用在放射性元素中,在1921皇家学会讨论的时候他还是反对的。

随后,阿斯顿继续用质谱仪分析其他元素,发现了许多元素的同位素,J·J·汤姆逊很快接受了阿斯顿的观点。

敢于坚持自己的观点,不迷信权威。这可以说是卡文迪许实验室的科学传统。J·J·汤姆逊曾经持有错误的观点,但是一旦他意识到自己错了,他就不再坚持了。实践和真理面前人人平等,不分等级。这是科学工作的基本原则。