质谱分析的发现

1922年诺贝尔化学奖的奖项弗朗西斯·阿斯顿可能惊讶同时代的一些人,因为他是在一个领域最重要的研究通常被认为是物理学的一个分支。然而,有一个世纪的后见之明,决定似乎是适当的。阿斯顿的工作是产生实质性影响未来几百年的化学。

弗朗西斯·威廉·阿斯顿生于1877年,在Harborne,伯明翰附近的一个村庄。英国中部的这个区域以其熟练的重修,谁让钉子和针,纽扣和扣,热刺和箍筋,和成千上万的其他重要项目。尽管工厂盛行,很多工作还是外包给小公司,甚至与后院伪造个人工匠。弗朗西斯的祖父来自农业背景,但金属加工业企业成功建立。和他的父亲——同时还拥有一个农场,成为金属商人,向当地制造商提供材料。

阿斯顿的工作是产生实质性影响未来几百年的化学

弗朗西斯的对科学的兴趣的动态环境。作为一个学生他有自己的阁楼实验室,1893年,他进入伦敦大学伯明翰的梅森大学学习的外部检查。1898年毕业后,他成为了一名研究生,帮助化学教授珀西弗兰克兰研究光学活性的物质。

从1900年开始,阿斯顿被附近的啤酒厂受雇为一名化学家,但是在家中实验室继续做研究。他非常着迷的发光现象时生成的放电通过部分疏散玻璃管。调查人员——包括迈克尔·法拉第早些时候,海因里希·盖斯勒,朱利叶斯普吕克,威廉希托夫和威廉•克鲁克斯——都得到了有趣的结果,和1895年威廉伦琴发现x射线引起进一步的兴趣,但许多谜题仍未得到解决。

专家的技能

这项研究是有很高的技术。使复杂的玻璃器皿,可以防止一个接近真空的大气的压力已经够困难的了。当这些容器是由电线穿-和阀门的承认和删除气体保持其完整性变得更具挑战性。但阿斯顿专家玻璃鼓风机,掌握必要的技能,到1903年,他回到了大学的时候,现在新伯明翰大学的一部分,作为一个研究助理物理学教授约翰·坡印亭。

阿斯顿的任务包括制造和操作放电管。他在主动,也调查了他们的特点,现在发现了一个现象叫做阿斯顿暗区。然而在1908年,大量的遗产从他父亲使他花一年的假期旅行世界各地通过澳大利亚、新西兰、加拿大和美国。在访问夏威夷,他成为了第一批欧洲人尝试冲浪。

1910年1月,他搬到剑桥大学卡文迪许实验室技术助理J汤姆森J

体育总是重要的阿斯顿-他在网球比赛表现值得称道的是,喜欢滑雪和登山,一旦一天骑二百英里。在晚年他经常合作欧内斯特·卢瑟福在高尔夫球场上,虽然教授的著名飘忽不定的驱动器必须试着阿斯顿的耐心非常,这两个朋友。阿斯顿也是一个成功的音乐家,一个熟练的摄影师——进一步活动需要一个强烈的关心精度。

1909年秋天阿斯顿回到伯明翰大学的科学讲师,但它很快成为明显的,他不适合这一新的职业。1910年1月-坡印亭的建议他搬到剑桥大学卡文迪许实验室,更熟悉的角色的技术助理到J汤姆森J。汤姆森是一个泰坦的理论物理——一个诺贝尔奖得主,他教或进一步监督几个诺贝尔奖。然而,他缺乏手灵巧度和需要专业技术人员建立和维护他的装置。这是阿斯顿的函数在卡文迪什——直到他的实验技能和理论见解为他赢得了识别作为一个独立的调查员。

射线到比率

汤姆森的主要成就之一已被证明(1895年),放电管中产生的阴极射线是带负电粒子的流——后来被命名为电子。汤姆森然后调查类似的阳极射线——尤金戈尔茨坦在1886年首次观察到的,和威廉•维恩在1897年所示由带正电的离子。1910年阿斯顿加入了这个项目。

他们所研究的粒子被almost-evacuated放电管的阳极。通过阴极管的穿孔,他们被电场和磁场转移前照相底片或荧光屏。在汤姆森的装置,电和磁场应用于particle-stream在同一点,但在直角。在这些条件下,离子的路径有相同电荷/质量比但不同速度不同,由于速度的更强电场的影响。结果是约抛物线线检测介质。

当离子与不同的电荷/质量比颗粒流共存,他们带领到一个序列大致平行的曲线的检测中创建众所周知的质谱。在阿斯顿和汤姆森氖气体放入这个乐器在1912年,他们将看到线代表了离子Ne⁺和不^{2 +}。他们——但接近东北⁺线有一个微弱的跟踪他们无法解释。

同位素的直觉

提供的线索这个异常是英国化学家弗雷德里克·草皮的提出,某些元素的原子不都有相同的质量。草皮的最终成功地添加同位素科学这个词的词汇——这个词是开创性的女医生建议他的玛格丽特·托德,但一开始他的建议遇到一些反对。汤姆森本人是持怀疑态度,尽管阿斯顿认为他们的研究结果可以表明两种霓虹灯同位素的存在。然而,尝试分离-通过分馏和气体扩散,但均没有成功。阿斯顿的诺贝尔演讲中规定:“战争打断了这项研究,这可能是说几个独立行推理指出结论氖同位素的混合物,但这些可能是说绝对的信念。

阿斯顿在范堡罗了第一次世界大战,帮助改善飞机皇家飞机制造厂,有幸逃脱安然无恙时其中一个坠毁。偶尔,他与同事讨论物理——包括弗雷德里克·林德曼、不信任草皮的同位素的概念,认为阿斯顿的霓虹灯是可能受到一些化合物的电离分子电荷/质量比接近Ne⁺。

在阿斯顿的军用飞机,加拿大物理学家亚瑟的法官是追求同位素在美国芝加哥大学。法官参加博士学位1916年,并于1918年建立了一个从汤森和阿斯顿仪器有所不同。最初,法官的结果没有影响。但他坚持研究,他最终识别的铀同位素原子质量235年将被证明是一个重要的一步开发核能。

阿斯顿很快证实,氖有同位素原子质量20和22

1919年阿斯顿回到剑桥,草皮的同位素的概念已经证明了测量不同导致样品的原子质量(包括放射性衰变产物)。然而,确认两个霓虹灯同位素确实存在,需要一个更好的工具。阿斯顿建一个,增加其测量的精度从一千年到一百年的一个部分一个部分——最终,超过一万分之一。

阿斯顿的改进汤森的质谱仪早些时候是狭窄的光束,通过积极的离子通过连续缝。同样重要的是他决定把这束在一个方向上的电场,在折弯之前在与磁场方向相反。这些字段的强度调整,粒子拥有相同的质量/进料比但不同速度集中到一个点,而不是跟踪一条线。

阿斯顿很快证实,氖有同位素原子质量20到22日的比例与氖原子质量的总体20.2兼容。他还发现了两个氯同位素的原子质量35到37岁,和进一步的发现之后重气体-并最终固体元素电离和分析。这项工作建立了阿斯顿的科学声誉——他成为剑桥的三一学院,1920年当选为英国皇家学会在1921年,并于1922年获得了诺贝尔化学奖。一个令人印象深刻的职业轨迹前啤酒厂化学家!

一个很关键的问题

阿斯顿的发现提出了深刻的问题在物理、化学和宇宙学。化学家们经常想知道为什么这么多元素的原子质量很接近整数。现在,发现同位素(显然)积分原子质量提出新的可能性。在他1922年的诺贝尔演讲,阿斯顿宣称:

这些测量的最重要的结果是,除氢,所有的元素的原子的重量测量,因此几乎可以肯定所有元素的整数实验的准确性,即约一千年的一个部分。[粗体字另加]”

这个一致性更明显,因为阿斯顿oxygen-sixteen同位素的原子质量的十六分之一——而不是氢的原子质量基本计量单位。但他也承认,氢的异常状态导致inter-convertibility的质量和能量,按照爱因斯坦的著名的方程。

阿斯顿的发现提出了深刻的问题在物理、化学和宇宙学

可以很清楚地看到,在所有元素的原子核-除了氢质子相互排斥的必须由一个强大的吸引力,如果他们拒绝原子保持稳定。其他人已经认为这个力转换的一小部分核质量(后来称为“质量缺陷”)为结合能。但氢核——一个孤独的质子——不需要结合能,并因此比例更大。到1922年阿斯顿充分重视这一事实的影响,说明在他的诺贝尔演讲

“…我们可以考虑它绝对肯定,如果氢转化为氦一定数量的质量必须湮灭。的有秩序的重要性这一结论是深刻和未来的可能性打开非常引人注目,事实上比任何建议之前由科学在整个人类的历史。…未来的研究工作者应该发现一些意味着释放这种能量的形式,可以使用,人类将会在其命令权力超出了科学小说的梦想。”

考虑未来

在1920年代和30年代阿斯顿继续提高他的质谱仪。但其不断增长的最终精度表明,同位素的原子质量没有,毕竟,有完全积分值,每一个都有自己的个人“质量缺陷”。阿斯顿描述一个同位素的比率的质量缺陷对其质量数为“包装分数”,并表明,对于任何同位素,这个分数是指示性的大小相对稳定的原子核。

然而在1932年,这张照片是进一步复杂阿斯顿是剑桥的同事时,詹姆斯·查德威克发现了另一个核粒子——中子。不久之后,用中子轰击原子核分裂为物理学家打开了令人振奋的新的可能性。但阿斯顿没有参与这些发展,他停止做研究后在1939年第二次世界大战的爆发。

在1940年代快速质谱分析先进,由于其重要的角色在核物理的发展(核武器)。它的效用是极大地增强了在早些时候摄影板块受雇于调查人员被电子探测器所取代,允许更精确的测量组件的离子束。

那些先驱的日子以来,质谱仪作出了显著贡献许多化学和生物领域的研究。它是使用在许多产业作为分析工具,它可以从考古发现中提取有价值的信息。最新进展使研究者蒸发电离,一些大型和相对脆弱的有机分子,然后进入质谱分析,产生新的想法关于分子可能在生命系统的功能。进一步发展可能会在未来几年。

弗朗西斯·阿斯顿死于1945年11月。结婚,也没有孩子,他离开了大量遗产三一学院和各科研机构——但他最大的遗产是他做了这么多的乐器来培养。

Mike Sutton科学在纽卡斯尔是一位历史学家,英国