质谱法的发现

1922年诺贝尔化学奖授予弗朗西斯·阿斯顿可能会让一些同时代的人感到惊讶，因为他最重要的研究领域通常被认为是物理学的一个分支。然而，从一个世纪的后见之明来看，这个决定似乎是恰当的。阿斯顿的工作对接下来的一百年的化学产生了重大影响。

弗朗西斯·威廉·阿斯顿于1877年出生在伯明翰附近的哈伯恩村。英国中部的这个地区以其熟练的金属工人而闻名，他们制造钉子和针，纽扣和搭扣，马刺和马镫，以及成千上万的其他必需品。尽管那里的工厂蓬勃发展，但许多工作仍然外包给小公司，甚至是后院有锻工的个体工匠。弗朗西斯的祖父都有务农背景，但都建立了成功的金属加工企业。他的父亲虽然仍然拥有一个农场，但却成为了一名金属商人，为当地制造商提供材料。

阿斯顿的工作对接下来的一百年的化学产生了重大影响

弗朗西斯对科学的兴趣在这个充满活力的环境中蓬勃发展。学生时代，他就有了自己的阁楼实验室。1893年，他进入伯明翰梅森学院，参加伦敦大学的外部考试。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物质。

从1900年开始，阿斯顿被附近的一家啤酒厂聘为化学家，但他继续在家里的实验室里做研究。当放电通过部分抽真空的玻璃管时产生的发光现象使他着迷。早期的研究人员——包括迈克尔·法拉第、海因里希·盖斯勒、朱利叶斯Plücker、威廉·希托夫和威廉·克鲁克斯——都获得了有趣的结果，威廉·Röntgen 1895年发现x射线引起了进一步的兴趣，但许多谜题仍未解决。

专家的技能

这项研究在技术上要求很高。制造复杂的玻璃容器来保护接近真空的环境不受大气压力的影响已经足够困难了。当这些容器被电线和用于吸入和排出气体的阀门刺穿时，保持它们的完整性就变得更具挑战性了。但阿斯顿是一位吹玻璃的专家，1903年，他回到学院(现在是新伯明翰大学的一部分)，担任物理学教授约翰·波因廷的研究助理，并掌握了必要的技能。

阿斯顿在那里的任务包括制造和操作放电管。他还主动研究了它们的特性，发现了一种现在被称为阿斯顿暗空间的现象。1908年，他父亲留下了一笔可观的遗产，使他得以用一年的假期环游世界，途经澳大利亚、新西兰、加拿大和美国。在访问夏威夷时，他成为第一批尝试冲浪的欧洲人之一。

1910年1月，他来到剑桥大学卡文迪什实验室，担任J·J·汤姆森的技术助理

运动对阿斯顿来说一直很重要——他在网球比赛中表现出色，喜欢滑雪和登山，曾经一天骑了200英里。在晚年，他经常与欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)在高尔夫球场上搭档，尽管这位教授出了名的不稳定的击球肯定让阿斯顿的耐心受到了极大的考验，但两人仍然是朋友。阿斯顿还是一位有成就的音乐家和熟练的摄影师，这些活动需要高度关注精度。

1909年秋，阿斯顿回到伯明翰大学担任科学讲师，但很快就发现他不适合这个新职业。1910年1月，在波印廷的推荐下，他转到剑桥大学卡文迪什实验室，担任J·J·汤姆森的技术助理。汤姆逊是理论物理学的巨人，他自己也是诺贝尔奖得主，他教授或指导了几位诺贝尔奖得主。然而，他的手不够灵巧，需要专业技术人员来建造和维护他的仪器。这就是阿斯顿在卡文迪什实验室的职责——直到他的实验技能和理论洞察力为他赢得了独立研究者的认可。

射线比

汤姆逊的主要成就之一是(在1895年)证明了放电管中产生的阴极射线是带负电荷的粒子流——后来被命名为电子。汤姆逊接着研究了类似的阳极射线——欧根·戈尔茨坦在1886年首次观察到，威廉·维恩在1897年证明了它是由正电荷离子组成的。1910年，阿斯顿加入了这个项目。

他们研究的粒子被一个几乎被清空的放电管的阳极排斥。在通过射线管的穿孔阴极后，它们被电场和磁场改变方向，然后击中感光板或荧光屏。在汤姆逊的装置中，电场和磁场在同一点作用于粒子流，但彼此成直角。在这种条件下，电荷/质量比相同但速度不同的离子的路径会发生发散，因为运动较慢的离子受电场的影响更大。结果在探测介质上大致形成一条抛物线。

当不同电荷/质量比的离子在粒子流中共存时，它们在检测介质上被引导成一系列大致平行的曲线，形成了所谓的质谱。1912年，阿斯顿和汤姆逊将氖气放入仪器中，他们希望看到代表离子Ne的线条⁺和不^{2 +}．他们做到了——但靠近东北河⁺线上有一种他们无法解释的微弱痕迹。

同位素的直觉

英国化学家弗雷德里克·索迪为这种异常现象提供了线索，他提出某些元素的原子质量并不完全相同。索迪最终成功地将“同位素”一词添加到科学词汇中——这个词是由开创性的女医生玛格丽特·托德提出的——但最初他的建议遭到了一些反对。汤姆逊本人对此表示怀疑，尽管阿斯顿认为他们的结果可以表明两种氖同位素的存在。然而，通过分馏和气体扩散进行分离的尝试都没有成功。正如阿斯顿在诺贝尔奖演讲中所说:“当战争中断了研究时，可以说有几条独立的推理线都指向了氖是同位素混合物的结论，但这些都不能说具有绝对的说服力。”

第一次世界大战期间，阿斯顿在范堡罗度过，帮助皇家飞机工厂改进飞机，当其中一架飞机坠毁时，他幸运地毫发无损地逃脱了。偶尔，他会和同事们讨论物理学，包括弗雷德里克·林德曼(Frederick Lindemann)，他不相信索迪的同位素概念，认为阿斯顿氖很可能被某种化合物污染了，这种化合物的电离分子的电荷/质量比接近Ne⁺．

阿斯顿在军用飞机上工作时，加拿大物理学家阿瑟·登普斯特(Arthur Dempster)正在美国芝加哥大学(University of Chicago)研究同位素。登普斯特在1916年获得博士学位，并在1918年制造了一种与汤姆森和阿斯顿的仪器有所不同的仪器。起初，登普斯特的研究结果影响不大。但他坚持不懈地进行研究，他最终鉴定出原子质量为235的铀同位素，这将被证明是开发核能的重要一步。

阿斯顿很快证实了氖的同位素原子量分别为20和22

1919年阿斯顿回到剑桥时，通过对不同铅样品(包括放射性衰变产物)原子质量的测量，索迪的同位素概念得到了证实。然而，要确认两种氖同位素的存在，还需要一种更好的仪器。阿斯顿制造了一台，将测量精度从百分之一提高到千分之一，最终超过了万分之一。

阿斯顿对汤姆逊早期质谱仪的改进之一是通过让正离子通过连续的狭缝来缩小光束。同样重要的是，他决定用电场使光束向一个方向转移，然后用磁场使其向相反的方向弯曲。这些场的强度经过调整，使得质量/电荷比相同但速度不同的粒子聚焦在一点上，而不是沿着一条线。

阿斯顿很快证实了氖的同位素原子质量为20和22，其比例与氖的总原子质量为20.2相匹配。他还发现了两种原子量分别为35和37的氯同位素，随着更重的气体——最终是固体元素——被电离和分析，进一步的发现接踵而至。这项工作奠定了阿斯顿的科学声誉——1920年他成为剑桥大学三一学院院士，1921年入选皇家学会，1922年获得诺贝尔化学奖。对于一个前酿酒厂化学家来说，这是一个令人印象深刻的职业轨迹!

一个沉重的问题

阿斯顿的发现在物理学、化学和宇宙学领域引发了深刻的问题。化学家们常常想知道为什么这么多元素的原子质量如此接近整数。现在，具有(显然)整体原子质量的同位素的发现提出了新的可能性。在1922年的诺贝尔奖演讲中，阿斯顿宣称:

“到目前为止，这些测量最重要的结果是，除了氢，所有被测量的元素的原子重量，因此几乎可以肯定所有元素的原子重量，都是实验精度的整数，也就是说，大约是千分之一。’[强调添加]

这种一致性更加明显，因为阿斯顿把氧- 16同位素原子质量的十六分之一——而不是氢的原子质量——作为他的基本测量单位。但他也认识到氢的异常状态是由质量和能量的相互转换引起的，这符合爱因斯坦的著名方程。

阿斯顿的发现在物理学、化学和宇宙学领域引发了深刻的问题

似乎很清楚，在所有元素的原子核中——除了氢——如果它们的原子要保持稳定，就必须有强大的吸引力来抵抗质子之间的相互排斥。其他人已经将这种力归因于一小部分核质量(后来称为“质量缺陷”)转化为结合能。但是氢原子核——一个单独的质子——不需要结合能，因此按比例来说质量更大。到1922年，阿斯顿充分认识到这一事实的含义，他在诺贝尔奖演讲中说

“……我们可以绝对肯定地认为，如果氢转化为氦，在这个过程中一定有一定的质量被湮灭。这一结论的宇宙意义是深远的，它为未来打开的可能性是非常显著的，实际上比整个人类历史上以前科学所提出的任何建议都要大。如果未来的研究工作者发现某种可以利用的方式来释放这种能量，人类将拥有超乎科幻小说想象的力量。”

权衡未来

在20世纪20年代和30年代，阿斯顿继续改进他的质谱仪。但它不断提高的精度最终揭示了同位素的原子质量毕竟没有精确的积分值——每一种都有自己的“质量缺陷”。Aston将同位素的质量缺陷与其质量数的比值描述为“堆积分数”，并表明对于任何同位素来说，该分数的大小都表明了其核的相对稳定性。

然而，1932年，阿斯顿的剑桥同事詹姆斯·查德威克发现了另一种核粒子——中子，情况变得更加复杂。不久之后，使用中子轰击分裂原子核为物理学家开辟了令人兴奋的新可能性。但阿斯顿并没有参与这些发展，1939年第二次世界大战爆发后，他停止了研究。

在20世纪40年代，质谱法由于其在核物理学(和核武器)发展中的重要作用而迅速发展。在早期研究人员使用的照相板被电子探测器取代后，它的实用性大大增强，可以更精确地测量离子束的组成部分。

从那时起，质谱仪对化学和生物研究的许多领域做出了重大贡献。它被许多行业用作分析工具，可以从考古发现中提取有价值的信息。最近的进展使研究人员能够蒸发和电离一些较大且相对脆弱的有机分子，然后对它们进行质谱分析，从而产生关于这些分子如何在生命系统中发挥作用的新想法。未来几年有望取得进一步进展。

弗朗西斯·阿斯顿于1945年11月去世。他没有结婚，也没有孩子，给三一学院和各种科学机构留下了大量遗产，但他最大的遗产是他为发明付出了巨大努力的仪器。

迈克·萨顿(Mike Sutton)是英国纽卡斯尔的科学历史学家