你認(rèn)識質(zhì)譜四太子嗎？可能有很多人是不認(rèn)識他們的，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。下面我們來講一講他們的光輝事跡。

　　二十一世紀(jì)，對于質(zhì)譜大師們而言，是一個值得慶賀的時代。但是對于一百多年以前的研究人員和學(xué)者而言，這項分析技術(shù)的誕生足以讓他們感到振奮不已。

　　在質(zhì)譜技術(shù)剛剛出現(xiàn)的十幾年里，有四位科學(xué)家做出了重大貢獻(xiàn)，他們四人一時之間霸占著質(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，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)大磁場作用下會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從此質(zhì)譜技術(shù)向人類敞開了大門。維恩測量了正電粒子束在磁場作用下的偏移，并得出陽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)，實現(xiàn)了對多種原子及其同位素質(zhì)量的精確測量，以及對原子核反應(yīng)所釋放能量的計算。

　　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始覍W(xué)會學(xué)報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)磁場對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。他對粒子同時施加一個電場和磁場，并調(diào)節(jié)電場和磁場直至造成的粒子的偏轉(zhuǎn)互相抵消，讓粒子仍作直線運動。

　　這樣，從電場和磁場的強(qiáng)度比值就能算出粒子運動速度。而一旦確定速度后，單靠磁偏轉(zhuǎn)或電偏轉(zhuǎn)就可以測出粒子的電荷與質(zhì)量的比值。湯姆森用這種方法來測定“微?！彪姾膳c質(zhì)量之比值。

　　湯姆森還得到另外一個關(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，一個對應(yīng)的原子重量為20，另一個是22。依據(jù)當(dāng)時的技術(shù)他還無法做出解釋，但不久后他的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是有史以來第一次暗示穩(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。實際上，一些射線撞擊到射線管內(nèi)壁上會產(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)度有時候不足以得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

　　弗朗西斯·阿斯頓(Francis Aston)為了提高拋物線信號的強(qiáng)度，毅然決然的自愿接受實驗挑戰(zhàn)。他設(shè)計了一種儀器，可以將射線匯聚到一起，這種射線可以撞擊焦平面的一個具體點位。阿斯頓設(shè)計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，以此來模擬光學(xué)透鏡的聚焦效果。

　　這就是質(zhì)譜儀的雛形。這臺儀器不僅擁有更好的測量強(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題，成為歷史上第一個證明穩(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)的實驗中。1922年諾貝爾化學(xué)獎給予他發(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，另外一個值得我們注意的就是在美國芝加哥大學(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指的是一臺磁扇形分析器(magnetic sector analyzer)，這是一種使用超強(qiáng)磁場將離子束偏轉(zhuǎn)角度控制在180°范圍內(nèi)的磁分析儀器。這臺儀器可以將一定質(zhì)荷比的光束集中穿過一道狹窄的縫隙。

　　這種儀器免去了使用感光板所帶來的不便，可以使用靜電計對離子束進(jìn)行實時的檢測。登普斯特也開創(chuàng)了使用電子轟擊法產(chǎn)生正離子的先河。

　　登普斯特的這兩項發(fā)明在業(yè)內(nèi)引起來極大的反響，從他開始，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商用儀器的原型。

　　在測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)鈾原子分裂時會釋放巨大的能量，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)。其實這項分離鈾235的實驗就是所謂的“曼哈頓計劃”。