阿斯頓:英國物理學家-中文百科頻道

時代背景

1897年英國著名的物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜在陰極射線的定性和定量研究中發現了電子。陰極射線即為一股電子流。這一發現不久就引起了強烈的反響。人們才知道還存在比原子更小、建造一切元素的電子，原子也是可分的。這就将更多的科學家吸引到陰極射線和探索原子結構的研究中。

在探索微觀元素的過程中,同位素的發現與證明無疑具有裡程碑式的意義。質譜儀的發明對證明同位素的存在功不可沒,為此1922年的諾貝爾化學獎授予了質譜儀的發明者——F.W.阿斯頓,。

1898年德國物理學家維恩又發現，不僅陰極射線在磁場和靜電場中會發生偏轉現象，某些正離子流也同樣受磁場和靜電場的影響。這種從氣體放電管中引出的正離子流又稱陽射線。在陰極射線研究中取得重大成果的湯姆遜1905年轉而開始研究陽射線。在研究中他發現，把氖充入放電管做實驗時，在磁場或靜電場作用下，出現了兩條陽射線的抛物線軌迹。進一步研究，他又測出這兩條抛物線所表征的原子量各為20和22。而當時公認氖的原子量為20．18。于是湯姆遜認為這可能是氖（Ne）和Ne與H2的混和氣體。盡管當時索迪已經提出同位素的概念，但是湯姆遜對這一概念卻持否定的态度，因此他對自己的實驗結果無法作更合理的解釋。

個人簡介

畢業于英國伯明翰大學的阿斯頓，在大學學習期間，特别是他當物理研究生時，已顯示出他在制作實驗儀器和實驗技巧上有着出衆的才能。畢業後他的導師波印亭就将他留在身邊作助手。這時，作為著名的科研機構——卡文迪許實驗室主任的湯姆遜急需聘任一個助手，一個擅長制作儀器、并有一定實驗技術的助手。為了阿斯頓有更快的發展和更好的前途，波印亭十分慷慨地把他得意的助手阿斯頓推薦給湯姆遜。這樣阿斯頓來到了這個人才輩出的卡文迪許實驗室，開始了新的科研生涯。

湯姆遜交給阿斯頓一個重要任務，即改進當時他做陽射線研究的氣體放電實驗裝置，以更準确地測定陽射線在電磁場中的偏轉度，從而來決定氖的組成和其原子量。靈巧的阿斯頓在湯姆遜的指導下，制造了一個球形放電管和帶切口的陰極，改進了真空泵，發明了可以檢查放電管真空洩漏的螺管和拍攝抛物線軌迹的照相機，這些改進明顯地提高了實驗的水平與此同時他們也改進了實驗方法。他們通過裝置的改進，将電場和磁場前後排列，但是二者的方向相互垂直，還使它們的作用力與陽射線平行而方向相反。在這種實驗裝置中，陽射線在兩種場的作用下，經過不同玻璃制造的棱鏡後，分别向相反方向偏斜，然後又聚焦到同一點上，使感光底片感光乙被檢測的氣體元素的同位素會因為原子量不同，陽射線的速度也不同，緻使其偏斜後的曲線曲率不同。據此就可以測出同位素及其原子量。

思想活躍年輕的阿斯頓思想活躍，勇于接受新事物。他不同于湯姆遜，當他仔細地研讀了索迪的同位素假說後，立即認為這一假說是可以成立的。他采用了同位素的概念，用以解釋他在實驗中的發現。陽射線在電磁場作用下出現兩條抛物線軌迹，表明同位素确實存在。由于同位素的質量不同，所以擴散時的速度也不同，固而出現麗條抛物軌線。為了更清楚地證實這點，他先用分餾技術，然後又用擴散法，将氖同位素進行分離，最後再精确地測定它們的原子量，證實了Ne20和Ne22的存在。1913年在全英科學促進會的會議上，阿斯頓宣讀了由這些工作而撰寫的論文，并做了實驗演示，展示了兩種氖同位素的試樣。對于他的這項研究，同行們給予很高的評價。他也由此而獲得了麥克斯韋獎。

第一次世界大戰爆發後，阿斯頓應征入伍，來到皇家空軍的一個部門，從事戰時的科學研究。雖然身在軍營，但是他從未忘記思考和整理前段時間對陽射線和同位素的研究。設想假若能發明一種儀器，可以測定各種元素均有同位素的存在。那麼他的研究就可以有新的突破。為此，等到戰争剛宣布結束；他就急忙地趕回卡文迪許實驗室，開始新的攻關。

阿斯頓回到卡文迪許實驗室不久，湯姆遜就任劍橋大學三一學院院長，著名物理學家盧瑟福接替了湯姆遜原先的工作，成為卡文迪許實驗室的負責人。盧瑟福最早提出放射性元素的擅變理論，因而對同位素的假說是理解的。他對阿斯頓的工作給予了很大的鼓勵和具體的指導，使阿斯頓有更足夠的信心來實現自己的計劃。

改進裝置

阿斯頓根據他原先改進的測定陽射線的氣體放電裝置，又參照了當時光譜分析的原理，設計出一個包括有離子源、分析器和收集器三個部分組成的，可以分析同位素并測量其質量及豐度的新儀器。這就是質譜儀。離子源部分使用來研究其同位素的物質形成離子，然後将離子流經過分析器，在恒定的電場和磁場作用下，各同位素的離子由于質量不同，各循不同的路徑到達收集器，從它們到達收集器的位置和強度，可測得各同位素的質量和豐度。阿斯頓所研制的這一儀器也可以稱為陽射線的光譜儀，是他從事陽射線和同位素研究的結晶。這種儀器對于測量的結果精度達到千分之一。因此使用這一儀器能幫助阿斯頓在同位素的研究中大顯身手。

他首先使用這一新的儀器繼續戰前的研究，對氖作重新測定，證明氖的确存在Ne20和Ne22兩種同位素，又因它們在氖氣中的比例約為10：1所以氖元素的平均原子量約為20．2（後來的研究又發現氖存在第三種同位素Ne21 ，氖元素的平均原子量為20.18）。随後，阿斯頓使用質譜儀測定了幾乎所有元素的同位素。實驗的結果表明，不僅放射性元素存在着同位素，而且非放射性元素也存在同位素，事實上幾乎所有的元素都存在着同位素。最早素迪和裡查茲都是根據放射性元素的衰變産物來證實同位素的存在，在質譜儀的幫助下，人們發現同位素的存在是個普遍的現象。阿斯頓在71種元素中發現了202種同位素。長期以來，元素一直是化學研究的主要對象，直到今天，由于阿斯頓的傑出工作，人們才發現元素具有這麼豐富的内容。

同位素研究解決了兩個懸案質譜儀的使用、同位素的研究還解決了一個長期争論而又迷惑不解的問題。自從1815年英國醫生普勞特提出所有元素的原子量均為氫原子量的整數倍的假說後，人們一直對此假說半信半疑。開始時，一些化學家認為它有道理，然而精确測定原子量的結果隻能使他們垂頭喪氣。當門捷列夫提出元素周期律，揭示了元素間存在内在聯系的規律性後，一些化學家重提普勞特假說，認為它可能是正确的。當時英國化學家克魯克斯就在一篇題為“元素的産生”的論文中提出：“所謂元素或單質實際上都是複合物，所有元素都是由一種原始物質逐步凝聚成的”。斯塔關于原子量的精确測定再次否定了普勞特的假說。科學界當然不能接受克魯克斯的觀點。

門捷列夫的化學元素周期律大家認為可以信賴，但是在周期表中，鉀和氩、钴和鎳、碲和碘的排列位置不是按原子量的大小順序，而是颠倒順序排列的，這是為什麼？直到20紀初，人們仍然不得其解。

阿斯頓運用質譜儀對衆多元素所作的同位素研究，不僅指出幾乎所有的元素都存在同位素，而且還證實自然界中的某元素實際上是該元素的幾種同位素的混合體，因此該元素的原子量也是依據這些同位素在自然界占據不同比例而得到的平均原子量。例如氯元素，它一直被當作反駁普勞特假說的最好事例，其原子量為35．457，據測定自然界的氯有兩種同位素： Cl35、Cl37。其豐度為Cl35：Cl37=3：1，所謂豐度即同位素在自然界該元素中所占的百分比。所以氯的原子量既不是整數的35，也不是37，而是35．46。大多數元素的原子量為什麼不是整數，原因就在這裡。因此，阿斯頓道出了元素質量的整數法則。為什麼元素質量存在整數法則，随着原子結構秘密被揭開，質子、中子等基本粒子被揭示，這個問題也就迎刃而解了。

豐度測定

阿斯頓對同位素及其豐度的測定，指出氩、鉀都各有三種同位素，他們的豐度分别為：Ar36：Ar38：Ar40=0．31：0．06：99．63，K39：K40：K41=93．31：0.011 ：6．68，故它們的平均原子量分别為Ar=39．948，K=39；102。盡管氖的平均原子量比鉀大，但是它的原子序數即原子的核電荷數确實比鉀小，故門捷列夫的元素周期表是正确的。钴和鎳、碲和碘的情況也是如此。所以阿斯頓的同位素研究又解決了一個懸案。

評價

阿斯頓的工作立即獲得了科學界的高度評價。盧瑟福在給幾位科學家同行的信中說：“阿斯頓利用他發明的質譜儀，發現了氖、氯、汞等元素的同位素。我看到有關的所有照片，結果似乎是肯定的。阿斯頓是一個好的實驗家，很有技巧，因為他拼命工作了多年，理應獲得這個成功。

阿斯頓有一句名言：“要做更多的儀器，還要更多地測量。”這實際上是卡文迪許實驗室的一個傳統，這一傳統要求科學工作者要學會自己動手去制作儀器，親手去做實驗，通過基本實驗技巧的訓練，才能成為一個優秀的科學家。這句名言也正是阿斯頓自己一生科研生涯的寫照。在他榮獲1922年的諾貝爾化學獎後，他仍然堅持工作在實驗室，對質譜儀作進一步的改進和完善，從而使他後來又制成了三台質譜儀，其倍率達兩千倍，精度達十萬分之一。現在通過質譜儀，已測出地球上存在的同位素達489種，其中穩定同位素有264種，天然放射性同位素有225種。此外還發現人工放射性同位素達2000多種。建設這些知識的寶庫當然有阿斯頓的一份重要的貢獻。

阿斯頓不僅擅長實驗，是一位傑出的實驗家，而且興趣廣泛、知識淵博。為了調節他那長期呆在實驗室的艱苦生活，他很喜歡旅行，還堅持參加體育運動，和他有精湛的實驗技巧一樣，他也是一個技術高超的攝影家，同時還是一個業餘的音樂家。總之，他的生活遠不像許多人想像的那樣單調乏味。他還是一個善于籌集資金，精幹經營的事業家。當今劍橋大學三一學院所積累的巨額資産中，就有當年阿斯頓所籌集的。