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山东化学化工学会

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原子这么小,它的质量是怎么得到的?质谱仪造

来源:未知   发布时间:2018-05-07 14:02   发布人:zxf

   原子是元素能保持其化学性质的最小单位。20世纪以前,科学家们认为原子是不可分割的,但是实际上原子也是可以分割的,一个完整的原子由原子核和核外电子组成,原子核又由质子和中子构成。再进一步,质子和中子由不同的夸克构成。这里我们对此不做深究。

  一般原子的直径在10-10m数量级,质量在10-27kg这个数量级,直接测量原子的质量是不现实的。当然,原子的相对质量用"相对原子量"这个单位可以很方便地表示,但是我们也不能总是一直使用相对原子量,偶尔我们还是要知道原子的绝对质量的,那么问题就来了,原子这么小,质量这么轻,它的精确质量是如何获得的呢?

  

原子这么小,它的质量是怎么得到的?质谱仪造就特殊“天平”

 

  这么小的质量当然不可能用普通的天平来称量了。事实上,最精密的天平(德国生产的"4108 型"天平)的精度也只能达到0.01微克的精度,大概相当于10-11Kg,这其实已经相当的精密了,完全能满足各种生产生活的需求,但是还远远不能达到原子的质量所要求的精度。其实原子的质量不是直接得到的,原子的质量是用一种叫做质谱仪的仪器测量出来的。质谱仪这个仪器本身的用处很多,并不仅限于测量原子的质量。本文主要介绍一下这个质谱仪到底是怎么测量原子的质量的。

  质谱仪最初是由约瑟夫·约翰·汤姆逊在1912年发明的,如下图所示,可以看出质谱仪的这个原型很简陋,但是它的基本原理却和现在很高级的质谱仪是一样的。

  

原子这么小,它的质量是怎么得到的?质谱仪造就特殊“天平”

 

  质谱仪的原理图如下:

  

原子这么小,它的质量是怎么得到的?质谱仪造就特殊“天平”

 

  如图所示,是一个质谱仪的主要部分,原子样品从左边进入质谱仪,然后被离子化(常见的离子化方式有电子轰击,化学电离等),在这过程中,原子要么被添加几个电子而带负电,要么被剥离几个电子而带正电,而带了电的原子也被称作"离子"。变成离子的原子样品因为带电,进入电场之后被加速,等到离开电场之后就具有了一定的速度。然后这些离子被送入具有磁场的腔室,然后具有不同质量的离子会出现不同的路径,通过精确估计这些离子的路径和速度,就可以十分准确的计算出初始原子的质量。

  在这个过程中,原子的带电量和入射的初速度是知道的,磁场腔室的磁场的方向和强度也是知道的。如下图所示,是质谱仪简单的示意图:

  

原子这么小,它的质量是怎么得到的?质谱仪造就特殊“天平”

 

  如图所示S1和S2,之间的是离子加速区,U0是加速电压,假设离子脱离这个加速区之后的速度是v,离子进入磁场之后,由于带电,而且具有速度,因此它会在磁场里会受到一个偏转力,叫做洛伦兹力,这个力和离子的速度方向垂直,大小是F=qvB, 其中q是离子的带电量,v是离子的速度,B是磁场的强度。离子进入磁场之后,由于洛伦兹力,会产生偏转,最后射出磁场,在最右边的平面上带电离子最终会击中一个位置,这个位置和平面中心O的距离和离子的质量存在确定的关系,因此只要测出这个距离y,就能知道离子的精确质量了。通过离子的质量,然后在计算中补偿一下电子质量所带来的误差,就可以很精确地知道初始原子的质量了。

  当然,现在所有已知的原子的质量都已经被测量了出来,质谱仪目前最主要的用途不是用来测量原子质量了,而是用来分析样品的组成成分的,分离同位素以及了解同位素的相对丰度的。因为现有的原子的质量都是已知的,只要根据质谱仪里面的偏转路线,就可以判断出样品中原子的种类。

  经过好几代科学家和工程师的努力,现在的质谱仪是一件相当完善的科学设备,如下图所示,这种质谱仪一般都可以自动分析样品的组成,测量原子的质量等等,但是它的基本原理是不变的。

  

原子这么小,它的质量是怎么得到的?质谱仪造就特殊“天平”

 

  当然,质谱仪出现之前我们也是可以粗略地估计原子的质量的,而且还相当准确。上面提到,单个原子非常小,而且很轻,无法直接测量,这没有错,但是我们可以通过测量大量的原子的质量,然后除以原子的个数得到单个的原子质量。这种方法对于气体的原子在当时是比较容易实现,这是因为当时对于气体的研究比较多,科学家们可以比较容易地知道一定温度和气压下的气体原子的个数,因此可以通过测量气体的质量来大概估计单个气体原子的质量。但是对于液体和固体却不能使用这种方法了,另外由于这种方式误差很大,在质谱仪发明出来后就不再作为测量原子质量的方式了。

  其实从原子概念的出现到原子质量的获得,这期间有好几代科学家的努力,并不是某几个杰出科学家的单独贡献,科学既是一个合作的过程,也是一个循环渐进的过程。