美国物理学家阿尔弗雷德·奥托·卡尔·尼尔（Alfred Otto Carl Nier）在质谱仪的发展方面开创了先河。他首次使用质谱仪分离了铀-235，证明了²³⁵U可以发生裂变，并发展了现在被称为尼尔-约翰逊几何结构的扇形质谱仪配置。

在1939年，随着欧洲政治局势的紧张升级，美国物理学家发现铀原子核可以裂变并释放出巨大的能量，这一发现引发了人们的担忧和智力的兴奋。由于战争前景不明，美国人开始考虑是否能够利用这一发现开发出原子弹。铀主要由同位素U-238组成，而U-235的含量不到1%。理论家预测，裂变只会发生在稀有的U-235同位素核中，而U-238是不活跃的。为了验证这一预测，需要分离这两种同位素，但由于它们在化学性质上相同，因此分离难度较大。尼尔是明尼苏达大学的一名年轻物理学家，他是世界上为数不多的具备开展分离技术的专家之一。他采用了一种利用两种同位素质量微小差异的物理技术，使用了质谱技术来分离和收集少量同位素。这种技术最初是在1937年开始开发的，用于测量周期表上各种同位素的相对丰度。在1939年10月，尼尔收到了著名物理学家恩里科·费米的来信，表达了对分离进展的极大兴趣，这给了他极大的鼓励。在此之后，到1940年2月底，尼尔能够制备出两个微小的U-235和U-238分离样品，并将其提供给哥伦比亚大学的合作者，该团队由哥伦比亚大学的约翰·R·邓宁领导。

邓宁团队利用的回旋加速器在许多研究中跟踪了关于铀原子裂变的欧洲消息。在1940年3月，借助尼尔提供的样品，该团队利用由回旋加速器的质子束产生的中子，证明了相对稀有的铀-235同位素是最容易发生裂变的组分，而不是丰富的铀-238。这一裂变预测得到了验证。尼尔-邓宁小组指出：“这些实验强调了在更大尺度上对铀同位素进行分离，以研究铀的链式反应可能性的重要性”。

该证据证实了U-235的可裂变性，为美国曼哈顿计划大力研发原子弹奠定了基础。尼尔研制了一种质谱仪，通过控制电子束对气体进行轰击来产生正离子。离子从电离区域抽取，并移入分析器，分析器使用电磁铁分离不同质量的离子。通常，分离质量的离子电流是通过电表管放大器测量的，但在这种情况下，离子只是累积在设置在适当位置的两块小金属板上。尼尔的质谱仪要求离子在均匀磁场中呈半圆形路径运动。因此，质谱分析器管在一个称重两吨的电磁铁的两极之间安装，需要一个稳定输出电压的5 kW发电机来供电。离子源炉、180度分析器管和同位素收集板在尼尔设备的照片中可见。

尼尔在分离铀同位素的同时，于1940年开发了一种用于例行同位素和气体分析的质谱仪。在此过程中，他研制了一种扇形磁质谱仪，其中60度扇形磁铁取代了180度偏转所需的较大磁铁。结果是，一台重量约数百磅的磁铁，由多个汽车蓄电池供电，取代了需要多千瓦发电机的显着更大和更重的磁铁。这个设计成为所有后来的磁偏转仪器的原型，包括曼哈顿计划中使用的数百种仪器。

图1. 尼尔型质谱仪配有磁铁，可分离重和轻同位素的轨迹（红线）

 “... 你试图解开所有这些过程，以获得宇宙尘埃中氦的原始比例 - 这会告诉你5亿年前的太阳系是什么样子。”阿尔弗雷德·尼尔，在与迈克尔·格雷森和托马斯·克里克的1989年口述历史访谈中如此表达。他开发了一种分辨率比以前用于此类研究的仪器更高的新仪器，并对五种元素（氩、钾、锌、铷和镉）的同位素丰度进行了准确的测定。在这项工作中，他发现了稀有的钾同位素40K，后来在地质年龄测定中变得重要。1936年与肯尼斯·贝恩布里奇一起在哈佛大学工作，他在那里建造了一台高分辨率质谱仪，并确定了十九种元素的同位素组成，在此过程中发现了四个新同位素（³⁶S、⁴⁶Ca、⁴⁸Ca、¹⁸⁶Os）。两年后，他发表了有关铀同位素相对丰度的测量结果，这些测量结果被弗里茨·豪特曼斯和亚瑟·霍尔姆斯在1940年代用于估计地球的年龄。

质谱仪，这是当时新兴的技术之一，要研究的分子被转化为气相并离子化。离子通过电场加速，并传递给分析器，分析器根据其质量荷比将离子进行“分选”，例如在扇形场质谱仪中将其在空间中分成部分束。分子可以被碎片化。特别是在相对复杂的生物聚合物（如蛋白质）的研究中，碎片化通常是期望的，因为碎片更容易转化为气相。质谱仪在许多领域中得到应用，包括化学化合物的表征，生物化学中的生物分子研究，医学化学中的体液或器官中物质的鉴定，法医调查，兴奋剂检测，环境分析，化学战剂和爆炸物的分析。

两年后，恩里科·费米要求尼尔和几名学生使用尼尔设计的早期质谱仪为哥伦比亚大学的约翰·R·邓宁团队准备纯铀-235样品。然后通过美国邮政将其寄给邓宁的团队。他们随后能够证明U-235是负责核裂变的同位素，而不是更丰富的铀-238。这一成就被认为是原子弹发展的关键步骤。在第二次世界大战期间，阿尔弗雷德·尼尔和纽约市的Kellex公司研究了设计和开发用于曼哈顿计划的高效质谱仪，以用于在战争中制造原子弹。

二战后，他在地质年代学、高层大气、空间科学和惰性气体方面工作。他进行了具有显著精密质谱工作的合适的研究，使得可以通过其精确的分子质量来识别分子。他还设计了着陆器用于取样火星大气的微型质谱仪。阿尔弗雷德·尼尔成为了国家科学院的成员，也是马克斯·普朗克学会的外籍科学成员。尼尔奖由陨石学会每年颁发一次，以表彰年轻科学家在陨石学和相关领域的杰出研究。尼尔在1994年去世时82岁，他的第218篇也是最后一篇论文发表在他去世的那一年，论文题目是关于月球尘埃中的惰性气体。

图2：阿尔弗雷德·奥托·卡尔·尼尔 Alfred O. C. Nier (1911–1994)是一位美国物理学家，开创了质谱仪的发展。他是首位使用质谱仪分离铀-235的人，这一发现证明了²³⁵U可以发生裂变，并且他还开发了如今被称为尼尔-约翰逊几何结构的扇形质谱仪配置。

本文内容基于以下资料整理而成：

1. Onnis, P. (2014). Carbon and oxygen isotopes signature of biomineralization in the Rio Naracauli creek (South-West Sardinia, Italy). doi:10.13140/RG.2.2.24005.86245

2. Tietz, T. (2022, May 28). Alfred Nier – a Pioneer in Mass Spectroscopy. SciHi Blog. Retrieved from http://scihi.org/alfred-nier-mass-spectroscopy/

3. De Laeter, J., & Kurz, M. D. (2006). Alfred Nier and the sector field mass spectrometer. Journal of Mass Spectrometry, Special Feature: Historical. First published: 29 June 2006. https://doi.org/10.1002/jms.1057

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5. De Laeter, J., & Kurz, M. D. (2006). Alfred Nier and the sector field mass spectrometer. Journal of Mass Spectrometry, 41(7), 847-854.

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