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第38章 发明质谱仪的阿斯顿

阿斯顿,英国实验物理学家。因发明质谱仪分离同位素而获得1922年诺贝尔化学奖。

阿斯顿长期从事同位素和质谱仪的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量,从而肯定了同位素的普遍存在。

阿斯顿在英国伯明翰大学当物理研究生时,已显示出他在制作实验仪器和实验技巧出众的才能。毕业后阿斯顿来到了人才辈出的卡文迪许实验室,做实验室主任汤姆逊的助手,从而开始了他的科研生涯。

汤姆逊交给阿斯顿一个重要任务,即改进当时他做阳射线研究的气体放电实验装置,以更准确地测定阳射线在电磁场中的偏转度,从而来决定氖的组成和其原子量。灵巧的阿斯顿在汤姆逊的指导下,制造了一个球形放电管和带切口的阴极,改进了真空泵,发明了可以检查放电管真空泄漏的螺管和拍摄抛物线轨迹的照相机,这些改进明显地提高了实验的水平,与此同时他们也改进了实验方法。他们通过装置的改进,将电场和磁场前后排列,但是二者的方向相互垂直,还使它们的作用力与阳射线平行而方向相反。在这种实验装置中,阳射线在两种场的作用下,经过不同玻璃制造的棱镜后,分别向相反方向偏斜,然后又聚焦到同一点上,使感光底片感光乙被检测的气体元素的同位素会因为原子量不同,阳射线的速度也不同,致使其偏斜后的曲线曲率不同。据此就可以测出同位素及其原子量。

年轻的阿斯顿思想活跃,勇于接受新事物。当时索迪已经提出同位素的概念,当他仔细地研读了索迪的同位素假说后,立即认为这一假说是可以成立的。他采用了同位素的概念,用以解释他在实验中的发现。阳射线在电磁场作用下出现两条抛物线轨迹,表明同位素确实存在。由于同位素的质量不同,所以扩散时的速度也不同,因而出现两条抛物轨线。为了更清楚地证实这点,他先用分馏技术,然后又用扩散法,将氖同位素进行分离,最后再精确地测定它们的原子量,证实了Ne20和Ne22的存在。

在全英科学促进会的会议上,阿斯顿宣读了由这些工作而撰写的论文,并做了实验演示,展示了两种氖同位素的试样。对于他的这项研究,同行们给予很高的评价。他也由此而获得了麦克斯韦奖。

后来,汤姆逊就任剑桥大学三一学院院长,著名物理学家卢瑟福接替了汤姆逊原先的工作,成为卡文迪许实验室的负责人。卢瑟福最早提出放射性元素的擅变理论,因而对同位素的假说是理解的。他对阿斯顿的工作给予了很大的鼓励和具体的指导,使阿斯顿有更足够的信心来实现自己的计划。

阿斯顿根据他原先改进的测定阳射线的气体放电装置,又参照了当时光谱分析的原理,设计出一个包括有离子源、分析器和收集器三个部分组成的,可以分析同位素并测量其质量及丰度的新仪器,这就是质谱仪。离子源部分使用来研究其同位素的物质形成离子,然后将离子流经过分析器,在恒定的电场和磁场作用下,各同位素的离子由于质量不同,各循不同的路径到达收集器,从它们到达收集器的位置和强度,可测得各同位素的质量和丰度。这种仪器对于测量的结果精度达到千分之一。

阿斯顿的工作立即获得了科学界的高度评价。卢瑟福在给几位科学家同行的信中说:“阿斯顿利用他发明的质谱仪,发现了氖、氯、汞等元素的同位素。我看到有关的所有照片,结果似乎是肯定的。阿斯顿是一个好的实验家,很有技巧,因为他拼命工作了多年,理应获得这个成功。”

阿斯顿不仅擅长实验,而且兴趣广泛、知识渊博。为了调节他那长期呆在实验室的艰苦生活,他很喜欢旅行,还坚持参加体育运动,和他有精湛的实验技巧一样,他也是一个技术高超的摄影家,同时还是一个业余的音乐家。总之,他的生活远不像许多人想象的那样单调乏味。他还是一个善于筹集资金,精干经营的事业家。当今剑桥大学三一学院所积累的巨额资产中,就有当年阿斯顿所筹集的。

1945年,阿斯顿在剑桥大学因病逝世,终年68岁。

在化学研究上,取得很大成就的人往往具有活跃的思想和勇于接受新鲜事物的能力。阿斯顿就是这样的一个人,他发明质谱仪就源于此。我们青少年应具备这样的特点,要学会发扬自己这方面的能力,作出自己的成就。

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