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1810 年 3 月 10 日，一位劍橋大學(xué)肄業(yè)生逝世，生前他研究了空氣的組成，確定了水的成分——在當(dāng)時(shí)，水和空氣一直被認(rèn)為是世界組成的基礎(chǔ)成分，而他改變了這一局面。
一生僅僅發(fā)表過 18 篇論文的他，卻被普遍認(rèn)為是牛頓之后英國最偉大的科學(xué)家之一。 他叫作亨利·卡文迪許。 而他的姓氏在世界科學(xué)史上聞名的原因卻不止于他個(gè)人的成就。 1871 年，時(shí)任劍橋大學(xué)的校長——他的一位晚輩，捐款籌建了劍橋大學(xué)的物理系學(xué)院并以家族的姓氏命名。 這便是日后誕生了 29 位諾貝爾獎(jiǎng)得主的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。 最初的質(zhì)譜儀也就誕生在這里。 雛形 十九世紀(jì)晚期的歐洲物理學(xué)界，一直存在著一個(gè)爭(zhēng)論，問題源自于放電實(shí)驗(yàn)中正對(duì)陰極的玻璃管壁上泛綠的輝光，德國物理學(xué)家戈?duì)柕滤固固岢鲞@些輝光的產(chǎn)生的原因是一種陰極射線，可陰極射線到底是由什么組成的卻沒有定論。 最終，1897 年，德國的威廉·維恩和卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的J·J·湯姆森幾乎在同時(shí)用同樣的方法發(fā)現(xiàn)了幾乎同樣的結(jié)果，如我們現(xiàn)在所知，組成物是電子。 維恩在研究戈?duì)柕滤固拱l(fā)現(xiàn)的陽極射線時(shí)制造了一臺(tái)儀器測(cè)量氫原子核的質(zhì)荷比，這臺(tái)小儀器僅有 5cm，其原理如圖所示，陰極 A 與陽極 a 產(chǎn)生陽極射線，射線經(jīng)過平行的電極縫與外加磁場(chǎng)，只有速度達(dá)到指定要求的粒子可以抵達(dá)終點(diǎn)，這種簡(jiǎn)單的速度選擇器可謂是質(zhì)譜儀原型機(jī)的雛形。 而湯姆森改進(jìn)了維恩所做的儀器之后，將電場(chǎng)與磁場(chǎng)平行放置，使離子束偏轉(zhuǎn)后可以打在后面的熒光屏上，使硫酸鋅感光，便于觀察，他用這種方法制成了質(zhì)譜儀的原型機(jī)。
湯姆森制成的質(zhì)譜儀 by Jeff Dahl 而質(zhì)譜儀的正式制成，則又要說到湯姆森的一位學(xué)生。 發(fā)現(xiàn)“第二束光” 1910 年，已經(jīng)升為實(shí)驗(yàn)室主任的湯姆森邀請(qǐng)了一位來自伯明翰大學(xué)的講師來到卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做自己的學(xué)生，這位講師名為弗朗西斯·阿斯頓。 自從發(fā)現(xiàn)電子以來，湯姆森就轉(zhuǎn)而去研究戈?duì)柕滤固沟年枠O射線，他想要開發(fā)一種利用磁場(chǎng)測(cè)量原子量的方法，可是在一次湯姆森和阿斯頓的實(shí)驗(yàn)中，他們卻有了意外的發(fā)現(xiàn)。 最下方的氖氣曲線有了一根分支 按照原本的預(yù)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(xué)組成，質(zhì)量卻稍有不同的物質(zhì)。 這一結(jié)果大大激起了阿斯頓的研究興趣，之后的余生他幾乎都投入了對(duì)這種神奇物質(zhì)的研究——后來我們都知道，那種物質(zhì)叫作同位素。
點(diǎn)燃第一次世界大戰(zhàn)的薩拉熱窩事件 可阿斯頓的研究被突如其來的戰(zhàn)爭(zhēng)打斷了，伴隨著第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，他應(yīng)征招入伍，研究當(dāng)時(shí)作為機(jī)翼材料的帆布。 在戰(zhàn)爭(zhēng)中阿斯頓也經(jīng)常和友人討論自己的研究，同期的好友林德曼一直對(duì)他的同位素假說持懷疑態(tài)度，可他的心中非常堅(jiān)定。 戰(zhàn)后，阿斯頓馬上就回到了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)自己的研究。 湯姆森治下的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室有一條規(guī)矩，學(xué)生必須親手制作實(shí)驗(yàn)的儀器，不能用現(xiàn)成的，因?yàn)闇飞髮W(xué)生不止是實(shí)驗(yàn)的觀察者，更應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造者。
J·J·湯姆森 大學(xué)應(yīng)當(dāng)是培養(yǎng)會(huì)思考，有獨(dú)立工作能力的人才的場(chǎng)所，而不是用現(xiàn)成的模具投影出死的成品的工廠。 正式登場(chǎng) 為了更好地定量研究同位素，阿斯頓動(dòng)手改進(jìn)了自維恩和湯姆森以來的初期質(zhì)譜儀，制造了世界第一臺(tái)高精密度質(zhì)譜儀。 將氣體電離后產(chǎn)生離子束，離子束首先先經(jīng)過S1、S2兩個(gè)準(zhǔn)直孔，之后被一個(gè)具有傾角的平行電極板加速，通過擋板D，最后在圓形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而打在熒光屏上。 比起前人的成果，阿斯頓設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀制作更為巧妙，離子束在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中發(fā)生了兩次偏轉(zhuǎn)，從而消除掉了離子束速度對(duì)其偏離軌跡的影響，使得最后的影響因素只剩下唯一的一點(diǎn)——質(zhì)荷比，這一原理已經(jīng)與現(xiàn)在的質(zhì)譜儀一致。 阿斯頓的質(zhì)譜儀，將觀察結(jié)果從“可觀測(cè)”提升到了“可測(cè)量”。 使用自己親手制作的質(zhì)譜儀，阿斯頓不僅發(fā)現(xiàn)了氖的同位素，他還發(fā)現(xiàn)了至少 212 種天然存在的同位素，憑借這些發(fā)現(xiàn)，阿斯頓獲得了 1922 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 阿斯頓也因此被普遍認(rèn)為是質(zhì)譜儀真正的發(fā)明者。
為了紀(jì)念阿斯頓而以他的名字命名的月球環(huán)形山 發(fā)展 阿斯頓之后，許多研究者也將自己的研究成果用于改進(jìn)質(zhì)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范圍的質(zhì)量譜。 二戰(zhàn)中，為了提純制作原子彈所需的鈾-235，美國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·勞倫斯改進(jìn)了扇形質(zhì)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?qū)けＡ_開發(fā)離子阱技術(shù)并因此而獲得 1989 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 而 2002 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)再次授予了質(zhì)譜法相關(guān)的三個(gè)人，這些故事我們留到以后再說。 質(zhì)譜法與質(zhì)譜儀自發(fā)明以來，歷經(jīng)一百多年，越來越多地被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的研究中，用途越來越廣泛，也在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮越來越重要的作用。 |
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