质谱仪历史记！从这家实验室说起

病理医师

1810 年 3 月 10 日，一位剑桥大学肄业生逝世，生前他研究了空气的组成，确定了水的成分——在当时，水和空气一直被认为是世界组成的基础成分，而他改变了这一局面。
一生仅仅发表过 18 篇论文的他，却被普遍认为是牛顿之后英国最伟大的科学家之一。
他叫作亨利·卡文迪许。
而他的姓氏在世界科学史上闻名的原因却不止于他个人的成就。
1871 年，时任剑桥大学的校长——他的一位晚辈，捐款筹建了剑桥大学的物理系学院并以家族的姓氏命名。
这便是日后诞生了 29 位诺贝尔奖得主的卡文迪许实验室。
最初的质谱仪也就诞生在这里。
雏形
十九世纪晚期的欧洲物理学界，一直存在着一个争论，问题源自于放电实验中正对阴极的玻璃管壁上泛绿的辉光，德国物理学家戈尔德斯坦提出这些辉光的产生的原因是一种阴极射线，可阴极射线到底是由什么组成的却没有定论。



最终，1897 年，德国的威廉·维恩和卡文迪许实验室的J·J·汤姆森几乎在同时用同样的方法发现了几乎同样的结果，如我们现在所知，组成物是电子。
维恩在研究戈尔德斯坦发现的阳极射线时制造了一台仪器测量氢原子核的质荷比，这台小仪器仅有 5cm，其原理如图所示，阴极 A 与阳极 a 产生阳极射线，射线经过平行的电极缝与外加磁场，只有速度达到指定要求的粒子可以抵达终点，这种简单的速度选择器可谓是质谱仪原型机的雏形。



而汤姆森改进了维恩所做的仪器之后，将电场与磁场平行放置，使离子束偏转后可以打在后面的荧光屏上，使硫酸锌感光，便于观察，他用这种方法制成了质谱仪的原型机。



汤姆森制成的质谱仪 by Jeff Dahl
而质谱仪的正式制成，则又要说到汤姆森的一位学生。
发现“第二束光”
1910 年，已经升为实验室主任的汤姆森邀请了一位来自伯明翰大学的讲师来到卡文迪许实验室做自己的学生，这位讲师名为弗朗西斯·阿斯顿。
自从发现电子以来，汤姆森就转而去研究戈尔德斯坦的阳极射线，他想要开发一种利用磁场测量原子量的方法，可是在一次汤姆森和阿斯顿的实验中，他们却有了意外的发现。



最下方的氖气曲线有了一根分支
按照原本的预想，粒子流将在底片上留下不同的曲线，可是氖原子的那条曲线旁边却有一条额外的光带，这表明也许氖元素中还存在一种和它拥有相同的化学组成，质量却稍有不同的物质。
这一结果大大激起了阿斯顿的研究兴趣，之后的余生他几乎都投入了对这种神奇物质的研究——后来我们都知道，那种物质叫作同位素。



点燃第一次世界大战的萨拉热窝事件
可阿斯顿的研究被突如其来的战争打断了，伴随着第一次世界大战爆发，他应征招入伍，研究当时作为机翼材料的帆布。
在战争中阿斯顿也经常和友人讨论自己的研究，同期的好友林德曼一直对他的同位素假说持怀疑态度，可他的心中非常坚定。
战后，阿斯顿马上就回到了卡文迪许实验室继续自己的研究。
输
汤姆森治下的卡文迪许实验室有一条规矩，学生必须亲手制作实验的仪器，不能用现成的，因为汤姆森要求学生不止是实验的观察者，更应该是实验的创造者。
J·J·汤姆森
大学应当是培养会思考，有独立工作能力的人才的场所，而不是用现成的模具投影出死的成品的工厂。



正式登场
为了更好地定量研究同位素，阿斯顿动手改进了自维恩和汤姆森以来的初期质谱仪，制造了世界第一台高精密度质谱仪，原理如图所示。



将气体电离后产生离子束，离子束首先先经过S1、S2两个准直孔，之后被一个具有倾角的平行电极板加速，通过挡板D，最后在圆形的匀强磁场中发生偏转从而打在荧光屏上。
比起前人的成果，阿斯顿设计的质谱仪制作更为巧妙，离子束在电场和磁场中发生了两次偏转，从而消除掉了离子束速度对其偏离轨迹的影响，使得最后的影响因素只剩下唯一的一点——质荷比，这一原理已经与现在的质谱仪一致。
阿斯顿的质谱仪，将观察结果从“可观测”提升到了“可测量”。
使用自己亲手制作的质谱仪，阿斯顿不仅发现了氖的同位素，他还发现了至少 212 种天然存在的同位素，凭借这些发现，阿斯顿获得了 1922 年的诺贝尔物理学奖。
阿斯顿也因此被普遍认为是质谱仪真正的发明者。



为了纪念阿斯顿而以他的名字命名的月球环形山
发展
阿斯顿之后，许多研究者也将自己的研究成果用于改进质谱仪。
1934 年，马陶赫(Marttauch)和赫佐格(R.Herzog)提出完整的离子束能量和方向的双聚焦理论，可以在同一张底片上得到很大范围的质量谱。
二战中，为了提纯制作原子弹所需的铀-235，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯改进了扇形质谱仪电磁型同位素分离器。
1950 年与 1960 年，汉斯·德莫尔特与沃尔夫冈·保罗开发离子肼技术并因此而获得 1989 年的诺贝尔物理学奖。
而 2002 年的诺贝尔物理学奖再次授予了质谱法相关的两个人，这些故事我们留到以后再说。
质谱法与质谱仪自发明以来，历经一百多年，越来越多地被应用在各个领域的研究中，用途越来越广泛，也在实验中发挥越来越重要的作用。

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