阿斯頓是英國物理學(xué)家，他長期從事同位素和質(zhì)譜的研究。他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對許多元素的同位素及其豐度進行測量，從而肯定了同位素的普遍存在。同時根據(jù)對同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎。

　　前期的實驗和最初的成果

　　1897年英國著名的物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜在陰極射線的定性和定量研究中發(fā)現(xiàn)了電子。陰極射線即為一股電子流。這一發(fā)現(xiàn)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。這就將更多的科學(xué)家吸引到陰極射線和探索原子結(jié)構(gòu)的研究中。

　　1898年德國物理學(xué)家維恩又發(fā)現(xiàn)，不僅陰極射線在磁場和靜電場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)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(zhuǎn)而開始研究陽射線。在研究中他發(fā)現(xiàn)，把氖充人放電管做實驗時，在磁場或靜電場作用下，出現(xiàn)了兩條陽射線的拋物線軌跡。進一步研究，他又測出這兩條拋物線所表征的原子量各為20和22。而當(dāng)時公認(rèn)氖的原子量為20.18。于是湯姆遜認(rèn)為這可能是氖(Ne)和Ne與H2的混和氣體。盡管當(dāng)時索迪已經(jīng)提出同位素的概念，但是湯姆遜對這一概念卻持否定的態(tài)度，因此他對自己的實驗結(jié)果無法作更合理的解釋。

　　畢業(yè)于英國伯明翰大學(xué)的阿斯頓，在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，特別是他當(dāng)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著出眾的才能。畢業(yè)后他的導(dǎo)師波印亭就將他留在身邊作助手。這時，作為著名的科研機構(gòu)——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(shù)的助手。為了阿斯頓有更快的發(fā)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(wù)，即改進當(dāng)時他做陽射線研究的氣體放電實驗裝置，以更準(zhǔn)確地測定陽射線在電磁場中的偏轉(zhuǎn)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(dǎo)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(fā)明了可以檢查放電管真空泄漏的螺管和拍攝拋物線軌跡的照相機，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，將電場和磁場前后排列，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(jīng)過不同玻璃制造的棱鏡后，分別向相反方向偏斜，然后又聚焦到同一點上，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，致使其偏斜后的曲線曲率不同。據(jù)此就可以測出同位素及其原子量。

　　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(dāng)他仔細(xì)地研讀了素迪的同位素假說后，立即認(rèn)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(fā)現(xiàn)。陽射線在電磁場作用下出現(xiàn)兩條拋物線軌跡，表明同位素確實存在。由于同位素的質(zhì)量不同，所以擴散時的速度也不同，固而出現(xiàn)麗條拋物軌線。為了更清楚地證實這點，他先用分餾技術(shù)，然后又用擴散法，將氖同位素進行分離，最后再精確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(xué)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。

　　發(fā)明質(zhì)譜儀，證明同位素

　　第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，阿斯頓應(yīng)征入伍，來到皇家空軍的一個部門，從事戰(zhàn)時的科學(xué)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(shè)想假若能發(fā)明一種儀器，可以測定各種元素均有同位素的存在。那么他的研究就可以有新的突破。為此，等到戰(zhàn)爭剛宣布結(jié)束;他就急忙地趕回卡文迪許實驗室，開始新的攻關(guān)。

　　阿斯頓回到卡文迪許實驗室不久，湯姆遜就任劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長，著名物理學(xué)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(fù)責(zé)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(dǎo)，使阿斯頓有更足夠的信心來實現(xiàn)自己的計劃。

　　阿斯頓根據(jù)他原先改進的測定陽射線的氣體放電裝置，又參照了當(dāng)時光譜分析的原理，設(shè)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(zhì)量及豐度的新儀器。這就是質(zhì)譜儀。離子源部分使用來研究其同位素的物質(zhì)形成離子，然后將離子流經(jīng)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(zhì)量不同，各循不同的路徑到達(dá)收集器，從它們到達(dá)收集器的位置和強度，可測得各同位素的質(zhì)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(jié)晶。這種儀器對于測量的結(jié)果精度達(dá)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(xù)戰(zhàn)前的研究，對氖作重新測定，證明氖的確存在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(后來的研究又發(fā)現(xiàn)氖存在第三種同位素Ne21 ，氖元素的平均原子量為20.18)。隨后，阿斯頓使用質(zhì)譜儀測定了幾乎所有元素的同位素。實驗的結(jié)果表明，不僅放射性元素存在著同位素，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著同位素。最早素迪和里查茲都是根據(jù)放射性元素的衰變產(chǎn)物來證實同位素的存在，現(xiàn)在在質(zhì)譜儀的幫助下，人們發(fā)現(xiàn)同位素的存在是個普遍的現(xiàn)象。阿斯頓在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種同位素。長期以來，元素一直是化學(xué)研究的主要對象，直到今天，由于阿斯頓的杰出工作，人們才發(fā)現(xiàn)元素具有這么豐富的內(nèi)容。

　　同位素研究解決了兩個懸案

　　質(zhì)譜儀的使用、同位素的研究還解決了一個長期爭論而又迷惑不解的問題。自從1815年英國醫(yī)生普勞特提出所有元素的原子量均為氫原子量的整數(shù)倍的假說后，人們一直對此假說半信半疑。開始時，一些化學(xué)家認(rèn)為它有道理，然而精確測定原子量的結(jié)果只能使他們垂頭喪氣。當(dāng)門捷列夫提出元素周期律，揭示了元素間存在內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性后，一些化學(xué)家重提普勞特假說，認(rèn)為它可能是正確的。當(dāng)時英國化學(xué)家克魯克斯就在一篇題為“元素的產(chǎn)生”的論文中提出：“所謂元素或單質(zhì)實際上都是復(fù)合物，所有元素都是由一種原始物質(zhì)逐步凝聚成的”。斯塔關(guān)于原子量的精確測定再次否定了普勞特的假說。科學(xué)界當(dāng)然不能接受克魯克斯的觀點。

　　門捷列夫的化學(xué)元素周期律大家認(rèn)為可以信賴，但是在周期表中，鉀和氬、鈷和鎳、碲和碘的排列位置不是按原子量的大小順序，而是顛倒順序排列的，這是為什么?直到20紀(jì)初，人們?nèi)匀徊坏闷浣狻?/p>

　　阿斯頓運用質(zhì)譜儀對眾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(jù)這些同位素在自然界占據(jù)不同比例而得到的平均原子量。例如氯元素，它一直被當(dāng)作反駁普勞特假說的最好事例，其原子量為35.457，據(jù)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(shù)的35，也不是37，而是35.46。大多數(shù)元素的原子量為什么不是整數(shù)，原因就在這里。因此，阿斯頓道出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。為什么元素質(zhì)量存在整數(shù)法則，隨著原子結(jié)構(gòu)秘密被揭開，質(zhì)子、中子等基本粒子被揭示，這個問題也就迎刃而解了。

　　阿斯頓對同位素及其豐度的測定，指出氬、鉀都各有三種同位素，他們的豐度分別為：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別為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(shù)即原子的核電荷數(shù)確實比鉀小，故門捷列夫的元素周期表是正確的。鈷和鎳、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。

　　阿斯頓的工作立即獲得了科學(xué)界的高度評價。盧瑟福在給幾位科學(xué)家同行的信中說：“阿斯頓利用他發(fā)明的質(zhì)譜儀，發(fā)現(xiàn)了氖、氯、汞等元素的同位素。我看到有關(guān)的所有照片，結(jié)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(yīng)獲得這個成功。”

　　優(yōu)秀的傳統(tǒng)，豐富的主活

　　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(tǒng)，這一傳統(tǒng)要求科學(xué)工作者要學(xué)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(xùn)練，才能成為一個優(yōu)秀的科學(xué)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(xué)獎后，他仍然堅持工作在實驗室，對質(zhì)譜儀作進一步的改進和完善，從而使他后來又制成了三臺質(zhì)譜儀，其倍率達(dá)兩千倍，精度達(dá)十萬分之一。現(xiàn)在通過質(zhì)譜儀，已測出地球上存在的同位素達(dá)489種，其中穩(wěn)定同位素有264種，天然放射性同位素有225種。此外還發(fā)現(xiàn)人工放射性同位素達(dá)2000多種。建設(shè)這些知識的寶庫當(dāng)然有阿斯頓的一份重要的貢獻。

　　阿斯頓不僅擅長實驗，是一位杰出的實驗家，而且興趣廣泛、知識淵博。為了調(diào)節(jié)他那長期呆在實驗室的艱苦生活，他很喜歡旅，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(shù)高超的攝影家，同時還是一個業(yè)余的音樂家。總之，他的生活遠(yuǎn)不象許多人想像的那樣單調(diào)乏味。他還是一個善于籌集資金，精干經(jīng)營的事業(yè)家。當(dāng)今劍橋大學(xué)三一學(xué)院所積累的巨額資產(chǎn)中，就有當(dāng)年阿斯頓所籌集的。

　　1945年11月20日，何斯頓在劍橋大學(xué)因病逝世，終年68歲。他在科學(xué)事業(yè)上的杰出貢獻使他獲得不少榮譽，人們?yōu)榱思o(jì)念他，特地把他制作和發(fā)明的許多儀器都妥善地保存下來，展示在倫敦博物館和卡文迪許實驗室博物館內(nèi)。