原子這么小，它的質(zhì)量是怎么得到的？質(zhì)譜儀造

 　　原子是元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位。20世紀(jì)以前，科學(xué)家們認(rèn)為原子是不可分割的，但是實(shí)際上原子也是可以分割的，一個(gè)完整的原子由原子核和核外電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成。再進(jìn)一步，質(zhì)子和中子由不同的夸克構(gòu)成。這里我們對(duì)此不做深究。

　　一般原子的直徑在10-10m數(shù)量級(jí)，質(zhì)量在10-27kg這個(gè)數(shù)量級(jí)，直接測(cè)量原子的質(zhì)量是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)然，原子的相對(duì)質(zhì)量用"相對(duì)原子量"這個(gè)單位可以很方便地表示，但是我們也不能總是一直使用相對(duì)原子量，偶爾我們還是要知道原子的絕對(duì)質(zhì)量的，那么問(wèn)題就來(lái)了，原子這么小，質(zhì)量這么輕，它的精確質(zhì)量是如何獲得的呢?

　　這么小的質(zhì)量當(dāng)然不可能用普通的天平來(lái)稱量了。事實(shí)上，最精密的天平(德國(guó)生產(chǎn)的"4108 型"天平)的精度也只能達(dá)到0.01微克的精度，大概相當(dāng)于10-11Kg，這其實(shí)已經(jīng)相當(dāng)?shù)木芰耍耆軡M足各種生產(chǎn)生活的需求，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到原子的質(zhì)量所要求的精度。其實(shí)原子的質(zhì)量不是直接得到的，原子的質(zhì)量是用一種叫做質(zhì)譜儀的儀器測(cè)量出來(lái)的。質(zhì)譜儀這個(gè)儀器本身的用處很多，并不僅限于測(cè)量原子的質(zhì)量。本文主要介紹一下這個(gè)質(zhì)譜儀到底是怎么測(cè)量原子的質(zhì)量的。

　　質(zhì)譜儀最初是由約瑟夫·約翰·湯姆遜在1912年發(fā)明的，如下圖所示，可以看出質(zhì)譜儀的這個(gè)原型很簡(jiǎn)陋，但是它的基本原理卻和現(xiàn)在很高級(jí)的質(zhì)譜儀是一樣的。

　　質(zhì)譜儀的原理圖如下：

　　如圖所示，是一個(gè)質(zhì)譜儀的主要部分，原子樣品從左邊進(jìn)入質(zhì)譜儀，然后被離子化(常見(jiàn)的離子化方式有電子轟擊，化學(xué)電離等)，在這過(guò)程中，原子要么被添加幾個(gè)電子而帶負(fù)電，要么被剝離幾個(gè)電子而帶正電，而帶了電的原子也被稱作"離子"。變成離子的原子樣品因?yàn)閹щ姡M(jìn)入電場(chǎng)之后被加速，等到離開電場(chǎng)之后就具有了一定的速度。然后這些離子被送入具有磁場(chǎng)的腔室，然后具有不同質(zhì)量的離子會(huì)出現(xiàn)不同的路徑，通過(guò)精確估計(jì)這些離子的路徑和速度，就可以十分準(zhǔn)確的計(jì)算出初始原子的質(zhì)量。

　　在這個(gè)過(guò)程中，原子的帶電量和入射的初速度是知道的，磁場(chǎng)腔室的磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度也是知道的。如下圖所示，是質(zhì)譜儀簡(jiǎn)單的示意圖：

　　如圖所示S1和S2，之間的是離子加速區(qū)，U0是加速電壓，假設(shè)離子脫離這個(gè)加速區(qū)之后的速度是v，離子進(jìn)入磁場(chǎng)之后，由于帶電，而且具有速度，因此它會(huì)在磁場(chǎng)里會(huì)受到一個(gè)偏轉(zhuǎn)力，叫做洛倫茲力，這個(gè)力和離子的速度方向垂直，大小是F=qvB, 其中q是離子的帶電量，v是離子的速度，B是磁場(chǎng)的強(qiáng)度。離子進(jìn)入磁場(chǎng)之后，由于洛倫茲力，會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最后射出磁場(chǎng)，在最右邊的平面上帶電離子最終會(huì)擊中一個(gè)位置，這個(gè)位置和平面中心O的距離和離子的質(zhì)量存在確定的關(guān)系，因此只要測(cè)出這個(gè)距離y，就能知道離子的精確質(zhì)量了。通過(guò)離子的質(zhì)量，然后在計(jì)算中補(bǔ)償一下電子質(zhì)量所帶來(lái)的誤差，就可以很精確地知道初始原子的質(zhì)量了。

　　當(dāng)然，現(xiàn)在所有已知的原子的質(zhì)量都已經(jīng)被測(cè)量了出來(lái)，質(zhì)譜儀目前最主要的用途不是用來(lái)測(cè)量原子質(zhì)量了，而是用來(lái)分析樣品的組成成分的，分離同位素以及了解同位素的相對(duì)豐度的。因?yàn)楝F(xiàn)有的原子的質(zhì)量都是已知的，只要根據(jù)質(zhì)譜儀里面的偏轉(zhuǎn)路線，就可以判斷出樣品中原子的種類。

　　經(jīng)過(guò)好幾代科學(xué)家和工程師的努力，現(xiàn)在的質(zhì)譜儀是一件相當(dāng)完善的科學(xué)設(shè)備，如下圖所示，這種質(zhì)譜儀一般都可以自動(dòng)分析樣品的組成，測(cè)量原子的質(zhì)量等等，但是它的基本原理是不變的。

　　當(dāng)然，質(zhì)譜儀出現(xiàn)之前我們也是可以粗略地估計(jì)原子的質(zhì)量的，而且還相當(dāng)準(zhǔn)確。上面提到，單個(gè)原子非常小，而且很輕，無(wú)法直接測(cè)量，這沒(méi)有錯(cuò)，但是我們可以通過(guò)測(cè)量大量的原子的質(zhì)量，然后除以原子的個(gè)數(shù)得到單個(gè)的原子質(zhì)量。這種方法對(duì)于氣體的原子在當(dāng)時(shí)是比較容易實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)于氣體的研究比較多，科學(xué)家們可以比較容易地知道一定溫度和氣壓下的氣體原子的個(gè)數(shù)，因此可以通過(guò)測(cè)量氣體的質(zhì)量來(lái)大概估計(jì)單個(gè)氣體原子的質(zhì)量。但是對(duì)于液體和固體卻不能使用這種方法了，另外由于這種方式誤差很大，在質(zhì)譜儀發(fā)明出來(lái)后就不再作為測(cè)量原子質(zhì)量的方式了。

　　其實(shí)從原子概念的出現(xiàn)到原子質(zhì)量的獲得，這期間有好幾代科學(xué)家的努力，并不是某幾個(gè)杰出科學(xué)家的單獨(dú)貢獻(xiàn)，科學(xué)既是一個(gè)合作的過(guò)程，也是一個(gè)循環(huán)漸進(jìn)的過(guò)程。