質(zhì)譜儀的發(fā)明者阿斯頓

1、科目 化學(xué)年級 文件 hxs0129.doc標(biāo)題 質(zhì)譜儀的發(fā)明者阿斯頓關(guān)鍵詞 原子核/質(zhì)譜儀/化學(xué)史內(nèi)容 阿斯頓是英國物理學(xué)家，他長期從事同位素和質(zhì)譜的研究。他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對許多元素的同位素及其豐度進(jìn)行測量，從而肯定了同位素的普遍存在。同時(shí)根據(jù)對同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 前期的實(shí)驗(yàn)和最初的成果 1897年英國著名的物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜在陰極射線的定性和定量研究中發(fā)現(xiàn)了電子。陰極射線即為一股電子流。這一發(fā)現(xiàn)不久就引起了強(qiáng)烈的反響。人們才知道還存在比原子更小、建造一切元素的電子，原子也

2、是可分的。這就將更多的科學(xué)家吸引到陰極射線和探索原子結(jié)構(gòu)的研究中。 1898年德國物理學(xué)家維恩又發(fā)現(xiàn)，不僅陰極射線在磁場和靜電場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，某些正離子流也同樣受磁場和靜電場的影響。這種從氣體放電管中引出的正離子流又稱陽射線。在陰極射線研究中取得重大成果的湯姆遜1905年轉(zhuǎn)而開始研究陽射線。在研究中他發(fā)現(xiàn)，把氖充人放電管做實(shí)驗(yàn)時(shí)，在磁場或靜電場作用下，出現(xiàn)了兩條陽射線的拋物線軌跡。進(jìn)一步研究，他又測出這兩條拋物線所表征的原子量各為20和22。而當(dāng)時(shí)公認(rèn)氖的原子量為2018。于是湯姆遜認(rèn)為這可能是氖（Ne）和Ne與H2的混和氣體。盡管當(dāng)時(shí)索迪已經(jīng)提出同位素的概念，但是湯姆遜對這一概念卻持否定

3、的態(tài)度，因此他對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法作更合理的解釋。 畢業(yè)于英國伯明翰大學(xué)的阿斯頓，在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，特別是他當(dāng)物理研究生時(shí)，已顯示出他在制作實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)技巧上有著出眾的才能。畢業(yè)后他的導(dǎo)師波印亭就將他留在身邊作助手。這時(shí)，作為著名的科研機(jī)構(gòu)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任的湯姆遜急需聘任一個(gè)助手，一個(gè)擅長制作儀器、并有一定實(shí)驗(yàn)技術(shù)的助手。為了阿斯頓有更快的發(fā)展和更好的前途，波印亭十分慷慨地把他得意的助手阿斯頓推薦給湯姆遜。這樣阿斯頓來到了這個(gè)人才輩出的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，開始了新的科研生涯。 湯姆遜交給阿斯頓一個(gè)重要任務(wù)，即改進(jìn)當(dāng)時(shí)他做陽射線研究的氣體放電實(shí)驗(yàn)裝置，以更準(zhǔn)確地測定陽射線在電磁場中的偏轉(zhuǎn)度，從而來

4、決定氖的組成和其原子量。靈巧的阿斯頓在湯姆遜的指導(dǎo)下，制造了一個(gè)球形放電管和帶切口的陰極，改進(jìn)了真空泵，發(fā)明了可以檢查放電管真空泄漏的螺管和拍攝拋物線軌跡的照相機(jī)，這些改進(jìn)明顯地提高了實(shí)驗(yàn)的水平與此同時(shí)他們也改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法。他們通過裝置的改進(jìn)，將電場和磁場前后排列，但是二者的方向相互垂直，還使它們的作用力與陽射線平行而方向相反。在這種實(shí)驗(yàn)裝置中，陽射線在兩種場的作用下，經(jīng)過不同玻璃制造的棱鏡后，分別向相反方向偏斜，然后又聚焦到同一點(diǎn)上，使感光底片被檢測的氣體元素的同位素會因?yàn)樵恿坎煌?，陽射線的速度也不同，致使其偏斜后的曲線曲率不同。據(jù)此就可以測出同位素及其原子量。 年輕的阿斯頓思想活躍，勇于

5、接受新事物。他不同于湯姆遜，當(dāng)他仔細(xì)地研讀了素迪的同位素假說后，立即認(rèn)為這一假說是可以成立的。他采用了同位素的概念，用以解釋他在實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)。陽射線在電磁場作用下出現(xiàn)兩條拋物線軌跡，表明同位素確實(shí)存在。由于同位素的質(zhì)量不同，所以擴(kuò)散時(shí)的速度也不同，固而出現(xiàn)麗條拋物軌線。為了更清楚地證實(shí)這點(diǎn)，他先用分餾技術(shù)，然后又用擴(kuò)散法，將氖同位素進(jìn)行分離，最后再精確地測定它們的原子量，證實(shí)了Ne-20和Ne-22的存在。1913年在全英科學(xué)促進(jìn)會的會議上，阿斯頓宣讀了由這些工作而撰寫的論文，并做了實(shí)驗(yàn)演示，展示了兩種氖同位素的試樣。對于他的這項(xiàng)研究，同行們給予很高的評價(jià)。他也由此而獲得了麥克斯韋獎(jiǎng)。發(fā)明質(zhì)譜

6、儀，證明同位素 第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，阿斯頓應(yīng)征入伍，來到皇家空軍的一個(gè)部門，從事戰(zhàn)時(shí)的科學(xué)研究。雖然身在軍營，但是他從未忘記思考和整理前段時(shí)間對陽射線和同位素的研究。設(shè)想假若能發(fā)明一種儀器，可以測定各種元素均有同位素的存在。那么他的研究就可以有新的突破。為此，等到戰(zhàn)爭剛宣布結(jié)束；他就急忙地趕回卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，開始新的攻關(guān)。 阿斯頓回到卡文迪許實(shí)驗(yàn)室不久，湯姆遜就任劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長，著名物理學(xué)家盧瑟福接替了湯姆遜原先的工作，成為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。盧瑟福最早提出放射性元素的擅變理論，因而對同位素的假說是理解的。他對阿斯頓的工作給予了很大的鼓勵(lì)和具體的指導(dǎo)，使阿斯頓有更足夠的信心來實(shí)現(xiàn)自

7、己的計(jì)劃。 阿斯頓根據(jù)他原先改進(jìn)的測定陽射線的氣體放電裝置，又參照了當(dāng)時(shí)光譜分析的原理，設(shè)計(jì)出一個(gè)包括有離子源、分析器和收集器三個(gè)部分組成的，可以分析同位素并測量其質(zhì)量及豐度的新儀器。這就是質(zhì)譜儀。離子源部分使用來研究其同位素的物質(zhì)形成離子，然后將離子流經(jīng)過分析器，在恒定的電場和磁場作用下，各同位素的離子由于質(zhì)量不同，各循不同的路徑到達(dá)收集器，從它們到達(dá)收集器的位置和強(qiáng)度，可測得各同位素的質(zhì)量和豐度。阿斯頓所研制的這一儀器也可以稱為陽射線的光譜儀，是他從事陽射線和同位素研究的結(jié)晶。這種儀器對于測量的結(jié)果精度達(dá)到千分之一。因此使用這一儀器能幫助阿斯頓在同位素的研究中大顯身手。 他首先使用這一新的

8、儀器繼續(xù)戰(zhàn)前的研究，對氖作重新測定，證明氖的確存在Ne-20和Ne-22兩種同位素，又因它們在氖氣中的比例約為10：1所以氖元素的平均原子量約為202（后來的研究又發(fā)現(xiàn)氖存在第三種同位素Ne-21 ，氖元素的平均原子量為20.18）。隨后，阿斯頓使用質(zhì)譜儀測定了幾乎所有元素的同位素。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，不僅放射性元素存在著同位素，而且非放射性元素也存在同位素，事實(shí)上幾乎所有的元素都存在著同位素。最早素迪和里查茲都是根據(jù)放射性元素的衰變產(chǎn)物來證實(shí)同位素的存在，現(xiàn)在在質(zhì)譜儀的幫助下，人們發(fā)現(xiàn)同位素的存在是個(gè)普遍的現(xiàn)象。阿斯頓在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種同位素。長期以來，元素一直是化學(xué)研究的主要對象，直

9、到今天，由于阿斯頓的杰出工作，人們才發(fā)現(xiàn)元素具有這么豐富的內(nèi)容。同位素研究解決了兩個(gè)懸案 質(zhì)譜儀的使用、同位素的研究還解決了一個(gè)長期爭論而又迷惑不解的問題。自從1815年英國醫(yī)生普勞特提出所有元素的原子量均為氫原子量的整數(shù)倍的假說后，人們一直對此假說半信半疑。開始時(shí)，一些化學(xué)家認(rèn)為它有道理，然而精確測定原子量的結(jié)果只能使他們垂頭喪氣。當(dāng)門捷列夫提出元素周期律，揭示了元素間存在內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性后，一些化學(xué)家重提普勞特假說，認(rèn)為它可能是正確的。當(dāng)時(shí)英國化學(xué)家克魯克斯就在一篇題為“元素的產(chǎn)生”的論文中提出：“所謂元素或單質(zhì)實(shí)際上都是復(fù)合物，所有元素都是由一種原始物質(zhì)逐步凝聚成的”。斯塔關(guān)于原子量的精

10、確測定再次否定了普勞特的假說?？茖W(xué)界當(dāng)然不能接受克魯克斯的觀點(diǎn)。 門捷列夫的化學(xué)元素周期律大家認(rèn)為可以信賴，但是在周期表中，鉀和氬、鈷和鎳、碲和碘的排列位置不是按原子量的大小順序，而是顛倒順序排列的，這是為什么？直到20紀(jì)初，人們?nèi)匀徊坏闷浣狻?阿斯頓運(yùn)用質(zhì)譜儀對眾多元素所作的同位素研究，不僅指出幾乎所有的元素都存在同位素，而且還證實(shí)自然界中的某元素實(shí)際上是該元素的幾種同位素的混合體，因此該元素的原子量也是依據(jù)這些同位素在自然界占據(jù)不同比例而得到的平均原子量。例如氯元素，它一直被當(dāng)作反駁普勞特假說的最好事例，其原子量為35.457，據(jù)測定自然界的氯有兩種同位素： Cl-35、Cl-37。其豐度

11、為Cl-35：Cl-373：1，所謂豐度即同位素在自然界該元素中所占的百分比。所以氯的原子量既不是整數(shù)的35，也不是37，而是35.46。大多數(shù)元素的原子量為什么不是整數(shù)，原因就在這里。因此，阿斯頓道出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。為什么元素質(zhì)量存在整數(shù)法則，隨著原子結(jié)構(gòu)秘密被揭開，質(zhì)子、中子等基本粒子被揭示，這個(gè)問題也就迎刃而解了。 阿斯頓對同位素及其豐度的測定，指出氬、鉀都各有三種同位素，他們的豐度分別為：Ar-36：Ar-38：Ar-400.31：0.06：99.63，K-39：K-40：K-4193.31：0.011 ：6.68，故它們的平均原子量分別為Ar39.948，K39.102。盡管氖

12、的平均原子量比鉀大，但是它的原子序數(shù)即原子的核電荷數(shù)確實(shí)比鉀小，故門捷列夫的元素周期表是正確的。鈷和鎳、碲和碘的情況也是如此。所以阿斯頓的同位素研究又解決了一個(gè)懸案。 阿斯頓的工作立即獲得了科學(xué)界的高度評價(jià)。盧瑟福在給幾位科學(xué)家同行的信中說：“阿斯頓利用他發(fā)明的質(zhì)譜儀，發(fā)現(xiàn)了氖、氯、汞等元素的同位素。我看到有關(guān)的所有照片，結(jié)果似乎是肯定的。阿斯頓是一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)家，很有技巧，因?yàn)樗疵ぷ髁硕嗄?，理?yīng)獲得這個(gè)成功。”優(yōu)秀的傳統(tǒng)，豐富的主活 阿斯頓有一句名言：“要做更多的儀器，還要更多地測量。”這實(shí)際上是卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)傳統(tǒng)，這一傳統(tǒng)要求科學(xué)工作者要學(xué)會自己動手去制作儀器，親手去做實(shí)驗(yàn)，通過基

13、本實(shí)驗(yàn)技巧的訓(xùn)練，才能成為一個(gè)優(yōu)秀的科學(xué)家。這句名言也正是阿斯頓自己一生科研生涯的寫照。在他榮獲1922年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)后，他仍然堅(jiān)持工作在實(shí)驗(yàn)室，對質(zhì)譜儀作進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，從而使他后來又制成了三臺質(zhì)譜儀，其倍率達(dá)兩千倍，精度達(dá)十萬分之一。現(xiàn)在通過質(zhì)譜儀，已測出地球上存在的同位素達(dá)489種，其中穩(wěn)定同位素有264種，天然放射性同位素有225種。此外還發(fā)現(xiàn)人工放射性同位素達(dá)2000多種。建設(shè)這些知識的寶庫當(dāng)然有阿斯頓的一份重要的貢獻(xiàn)。 阿斯頓不僅擅長實(shí)驗(yàn)，是一位杰出的實(shí)驗(yàn)家，而且興趣廣泛、知識淵博。為了調(diào)節(jié)他那長期呆在實(shí)驗(yàn)室的艱苦生活，他很喜歡旅，還堅(jiān)持參加體育運(yùn)動，和他有精湛的實(shí)驗(yàn)技巧一樣，他也是