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　　你認(rèn)識(shí)質(zhì)譜四太子嗎？可能有很多人是不認(rèn)識(shí)他們的，這四位科學(xué)家做出了重大貢獻(xiàn)。這四位分別是威廉·維恩，約瑟夫·約翰·湯姆森，弗朗西斯·阿斯頓和亞瑟·登普斯特。下面我們來(lái)講一講他們的光輝事跡。

　　二十一世紀(jì)，對(duì)于質(zhì)譜大師們而言，是一個(gè)值得慶賀的時(shí)代，但是對(duì)于一百多年以前的研究人員和學(xué)者而言，這項(xiàng)分析技術(shù)的誕生注意他們感到振奮不已。

　　在質(zhì)譜技術(shù)剛剛出現(xiàn)的十幾年里面，有四位科學(xué)家做出了重大貢獻(xiàn)，他們四人一時(shí)之間霸占著質(zhì)譜領(lǐng)域發(fā)展的頭版位置，這四位“質(zhì)譜太子”被這種新技術(shù)不斷激勵(lì)，年復(fù)一年的刷新著數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率和分辨率。

　　正是威廉·維恩(Wilhelm Wien)發(fā)現(xiàn)了正電荷粒子射線在強(qiáng)大磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從此質(zhì)譜技術(shù)向人類(lèi)敞開(kāi)了大門(mén)。維恩測(cè)量了正電粒子束在磁場(chǎng)作用下的偏移，并得出陽(yáng)極射線由帶正電的粒子組成，并且它們不比電子重的結(jié)論。大約20年后維恩所使用的方法在形成了質(zhì)譜學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種原子及其同位素質(zhì)量的精確測(cè)量，以及對(duì)原子核反應(yīng)所釋放能量的計(jì)算。

　　約瑟夫·約翰·湯姆森(J.J. Thomson)捕獲到了感光板上偏移射線的拋物線圖?！队?guó)皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)A》在1913年經(jīng)同意后再版發(fā)布了約瑟夫·約翰·湯姆森的研究，名為：Bakerian Lecture: rays of positive electricity。

　　在威廉·維恩發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)正電粒子的偏移作用后，約瑟夫·約翰·湯姆森(J.J. Thomson)發(fā)現(xiàn)沿x軸移動(dòng)并以適當(dāng)角度撞擊平面的正電粒子在y軸平行電磁力的作用下會(huì)發(fā)生偏移。而質(zhì)荷比的不同決定了射線偏移情況的不同，并導(dǎo)致其撞擊到平面上位置的不同。

　　射線撞擊到平面上的軌跡為一條拋物線，為了捕獲到這些信息，湯姆森試圖讓射線降落到感光板(一塊涂有硫化鋅的小玻璃片)上。他對(duì)粒子同時(shí)施加一個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并調(diào)節(jié)電場(chǎng)和磁場(chǎng)直至造成的粒子的偏轉(zhuǎn)互相抵消，讓粒子仍作直線運(yùn)動(dòng)。

　　這樣，從電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比值就能算出粒子運(yùn)動(dòng)速度。而一旦確定速度后，單靠磁偏轉(zhuǎn)或電偏轉(zhuǎn)就可以測(cè)出粒子的電荷與質(zhì)量的比值。湯姆森用這種方法來(lái)測(cè)定“微粒”電荷與質(zhì)量之比值。

　　湯姆森還得到另外一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：在最純凈的氖氣體中存在兩種帶電粒子的拋物線，一個(gè)對(duì)應(yīng)的原子重量為20，另一個(gè)是22。依據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)他還無(wú)法做出解釋?zhuān)痪煤笏陌l(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是有史以來(lái)第一次暗示穩(wěn)定元素存在同位素的可能。

　　約瑟夫·約翰·湯姆森自己也承認(rèn)即使他的諸多科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有重大意義，但是他所使用的技術(shù)是非常有限的。實(shí)際上，一些射線撞擊到射線管內(nèi)壁上會(huì)產(chǎn)生“金屬灰塵”，因此射線管需要經(jīng)常清理，而且感光板上的拋物線的強(qiáng)度有時(shí)候不足以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

　　弗朗西斯·阿斯頓(Francis Aston)為了提高拋物線信號(hào)的強(qiáng)度，毅然決然的自愿接受實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。他設(shè)計(jì)了一種儀器，可以將射線匯聚到一起，這種射線可以撞擊焦平面的一個(gè)具體點(diǎn)位。阿斯頓設(shè)計(jì)的儀器有兩條平行縫隙，在兩塊電磁充電板的作用下，這兩條縫隙可以匯集射線，以此來(lái)模擬光學(xué)透鏡的聚焦效果。

　　這就是質(zhì)譜儀的雛形。這臺(tái)儀器不僅擁有更好的測(cè)量強(qiáng)度和準(zhǔn)確度，而且和湯姆森的儀器相比，阿斯頓的儀器分辨率也更大。阿斯頓使用自己的攝譜儀解決了之前關(guān)于氖氣懸而未決的問(wèn)題，成為歷史上第一個(gè)證明穩(wěn)定元素存在同位素的科學(xué)家。

　　弗朗西斯·阿斯頓在劍橋大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中。1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給予他發(fā)現(xiàn)同位素的貢獻(xiàn)。

　　在質(zhì)譜儀誕生的第一段里程碑中，另外一個(gè)值得我們注意的就是在美國(guó)芝加哥大學(xué)亞瑟·登普斯特(Arthur Dempster)為質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展做出的重要貢獻(xiàn)。

　　登普斯特的攝譜儀其實(shí)指的是一臺(tái)磁扇形分析器(magnetic sector analyzer)，這是一種使用超強(qiáng)磁場(chǎng)將離子束偏轉(zhuǎn)角度控制在180°范圍內(nèi)的磁分析儀器。這臺(tái)儀器可以將一定質(zhì)荷比的光束集中穿過(guò)一道狹窄的縫隙。

　　這種儀器免去了使用感光板所帶來(lái)的不便，可以使用靜電計(jì)對(duì)離子束進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。登普斯特也開(kāi)創(chuàng)了使用電子轟擊法產(chǎn)生正離子的先河。

　　登普斯特的這兩項(xiàng)發(fā)明在業(yè)內(nèi)引起來(lái)極大的反響，從他開(kāi)始，質(zhì)譜儀才有了名正言順的身份，他發(fā)明的儀器也成為后來(lái)商用儀器的原型。

　　在測(cè)定元素同位素豐度和質(zhì)量方面，鄧普斯特和阿斯頓也做出了重要的工作。他們發(fā)現(xiàn)鈾原子分裂時(shí)會(huì)釋放巨大的能量，在第二次世界大戰(zhàn)即將爆發(fā)之際，他們打算使用裂解高純度鈾的方法制造威力強(qiáng)大的武器——原子彈。

　　在十九世紀(jì)四十年代，阿爾弗萊德·O. C.尼爾(Alfred Otto Carl Nier)首次使用質(zhì)譜儀制備出了純凈的鈾235和鈾238，并確定鈾235與慢中子的裂變有關(guān)。其實(shí)這項(xiàng)分離鈾235的實(shí)驗(yàn)就是所謂的“曼哈頓計(jì)劃”。

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