質譜儀歷史本紀！從一座舉世聞名的實驗室說起

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引子

1810 年 3 月 10 日，一位劍橋大學肄業生逝世，生前他研究了空氣的組成，確定了水的成分——在當時，水和空氣一直被認為是世界組成的基礎成分，而他改變了這一局面。

一生僅僅發表過 18 篇論文的他，卻被普遍認為是牛頓之後英國最偉大的科學家之一。

他叫作亨利·卡文迪許。

而他的姓氏在世界科學史上聞名的原因卻不止於他個人的成就。

1871 年，時任劍橋大學的校長——他的一位晚輩，捐款籌建了劍橋大學的物理系學院並以家族的姓氏命名。

這便是日後誕生了 29 位諾貝爾獎得主的卡文迪許實驗室。

最初的質譜儀也就誕生在這裡。

雛形

十九世紀晚期的歐洲物理學界，一直存在著一個爭論，問題源自於放電實驗中正對陰極的玻璃管壁上泛綠的輝光，德國物理學家戈爾德斯坦提出這些輝光的產生的原因是一種陰極射線，可陰極射線到底是由什麼組成的卻沒有定論。

最終，1897 年，德國的威廉·維恩和卡文迪許實驗室的J·J·湯姆森幾乎在同時用同樣的方法發現了幾乎同樣的結果，如我們現在所知，組成物是電子。

維恩在研究戈爾德斯坦發現的陽極射線時製造了一台儀器測量氫原子核的質荷比，這台小儀器僅有 5cm，其原理如圖所示，陰極 A 與陽極 a 產生陽極射線，射線經過平行的電極縫與外加磁場，只有速度達到指定要求的粒子可以抵達終點，這種簡單的速度選擇器可謂是質譜儀原型機的雛形。

而湯姆森改進了維恩所做的儀器之後，將電場與磁場平行放置，使離子束偏轉後可以打在後面的熒光屏上，使硫酸鋅感光，便於觀察，他用這種方法製成了質譜儀的原型機。

湯姆森製成的質譜儀 by Jeff Dahl

而質譜儀的正式製成，則又要說到湯姆森的一位學生。

發現「第二束光」

1910 年，已經升為實驗室主任的湯姆森邀請了一位來自伯明翰大學的講師來到卡文迪許實驗室做自己的學生，這位講師名為弗朗西斯·阿斯頓。

自從發現電子以來，湯姆森就轉而去研究戈爾德斯坦的陽極射線，他想要開發一種利用磁場測量原子量的方法，可是在一次湯姆森和阿斯頓的實驗中，他們卻有了意外的發現。

最下方的氖氣曲線有了一根分支

按照原本的預想，粒子流將在底片上留下不同的曲線，可是氖原子的那條曲線旁邊卻有一條額外的光帶，這表明也許氖元素中還存在一種和它擁有相同的化學組成，質量卻稍有不同的物質。

這一結果大大激起了阿斯頓的研究興趣，之後的餘生他幾乎都投入了對這種神奇物質的研究——後來我們都知道，那種物質叫作同位素。

點燃第一次世界大戰的薩拉熱窩事件

可阿斯頓的研究被突如其來的戰爭打斷了，伴隨著第一次世界大戰爆發，他應徵招入伍，研究當時作為機翼材料的帆布。

在戰爭中阿斯頓也經常和友人討論自己的研究，同期的好友林德曼一直對他的同位素假說持懷疑態度，可他的心中非常堅定。

戰後，阿斯頓馬上就回到了卡文迪許實驗室繼續自己的研究。

輸

湯姆森治下的卡文迪許實驗室有一條規矩，學生必須親手製作實驗的儀器，不能用現成的，因為湯姆森要求學生不止是實驗的觀察者，更應該是實驗的創造者。

J·J·湯姆森

大學應當是培養會思考，有獨立工作能力的人才的場所，而不是用現成的模具投影出死的成品的工廠。

正式登場

為了更好地定量研究同位素，阿斯頓動手改進了自維恩和湯姆森以來的初期質譜儀，製造了世界第一台高精密度質譜儀，原理如圖所示。

將氣體電離後產生離子束，離子束首先先經過S1、S2兩個準直孔，之後被一個具有傾角的平行電極板加速，通過擋板D，最後在圓形的勻強磁場中發生偏轉從而打在熒光屏上。

比起前人的成果，阿斯頓設計的質譜儀製作更為巧妙，離子束在電場和磁場中發生了兩次偏轉，從而消除掉了離子束速度對其偏離軌跡的影響，使得最後的影響因素只剩下唯一的一點——質荷比，這一原理已經與現在的質譜儀一致。

阿斯頓的質譜儀，將觀察結果從「可觀測」提升到了「可測量」。

使用自己親手製作的質譜儀，阿斯頓不僅發現了氖的同位素，他還發現了至少 212 種天然存在的同位素，憑藉這些發現，阿斯頓獲得了 1922 年的諾貝爾物理學獎。

阿斯頓也因此被普遍認為是質譜儀真正的發明者。

為了紀念阿斯頓而以他的名字命名的月球環形山

發展

阿斯頓之後，許多研究者也將自己的研究成果用於改進質譜儀。

1934 年，馬陶赫(Marttauch)和赫佐格(R.Herzog)提出完整的離子束能量和方向的雙聚焦理論，可以在同一張底片上得到很大範圍的質量譜。

二戰中，為了提純製作原子彈所需的鈾-235，美國物理學家歐內斯特·勞倫斯改進了扇形質譜儀電磁型同位素分離器。

1950 年與 1960 年，漢斯·德莫爾特與沃爾夫岡·保羅開發離子肼技術並因此而獲得 1989 年的諾貝爾物理學獎。

而 2002 年的諾貝爾物理學獎再次授予了質譜法相關的兩個人，這些故事我們留到以後再說。

質譜法與質譜儀自發明以來，歷經一百多年，越來越多地被應用在各個領域的研究中，用途越來越廣泛，也在實驗中發揮越來越重要的作用。

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