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现代质谱技术的奠基人——阿瑟.杰弗里.登普斯特:从稳定同位素探索到铀-235的发现(作者:S. K. Allison)

已有 1346 次阅读 2024-2-16 13:04 |个人分类:自然科学|系统分类:人物纪事

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阿瑟·杰弗里·登普斯特(Arthur Jeffrey Dempster,1886年8月14日-1950年3月11日)(芝加哥大学档案馆)

编者注:在20世纪科学的璀璨星河中,阿瑟·杰弗里·登普斯特(Arthur Jeffrey Dempster,1886年8月14日-1950年3月11日)是一位卓越的加拿大裔美国物理学家,他的名字与质谱仪这一革命性科学仪器的诞生紧密相连。1918年,Dempster完成了他的开创性工作——构建世界上第一台真正现代科学意义上的质谱仪。在接下来的岁月里,Dempster的研究焦点进一步集中于利用质谱技术寻找化学元素的稳定同位素及其相对丰度上,即发现化学元素中的稳定同位素并测量它们的相对丰度。除了开启这一研究领域的F. W. Aston之外,Dempster发现的稳定同位素数量超过任何其他科学家,这一成就几乎可以肯定地使他的名字永远载入史册。1936年,Dempster与美国物理学家Kenneth T. Bainbridge及奥地利物理学家J.H.E. Mattauch携手合作,共同研发出了更为先进的双聚焦型质谱仪。这一新型装置在测量原子核质量方面实现了更高的精确度和分辨率,标志着质谱技术进入了一个全新的发展阶段。Dempster的职业生涯中最为世人瞩目的一个贡献是发现了铀-235同位素。这一具有特别重要意义的同位素后来成为了原子弹的核心组成部分。他的这一发现不仅改写了物理学的历史,也对世界政治格局产生了不可估量的影响。Dempster的一生,以其坚韧不拔的精神、独到的创新思维和卓越的科研成果,树立了科学研究者的典范。他的名字永载史册,成为质谱学和核物理学发展历程中的一个重要里程碑。时至今日,世界各地的实验室仍在使用基于Dempster奠定基础的质谱技术,不断拓展我们对于微观世界的认知边界。

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Arthur Jeffrey Dempster:质谱学领域的杰出先驱

作者:塞缪尔·金·艾利森

阿瑟·杰弗里·登普斯特(Arthur Jeffrey Dempster),现代杰出的物理学家之一,同时也是加拿大出生的最卓越科学家之一,于1886年8月14日出生于多伦多一个富裕的苏格兰-爱尔兰家庭。其父母分别为James和Emily(Cheney)Dempster。他的科学生涯自1911年(他发表第一篇论文的日期)开始,直至1950年3月11日去世前夕。在这期间,他几乎全身心投入到单一任务中,即发现化学元素中的稳定同位素并测量它们的相对丰度。除了开启这一研究领域的F. W. Aston之外,Dempster发现的稳定同位素数量超过任何其他科学家,这一成就几乎可以肯定地使他的名字永远载入史册。

一份保存在家族手中的1904年多伦多日报泛黄页面显示,在青少年时期,他在几乎所有人类知识领域的奖学金竞赛中都赢得了第一名或第二名。这是首次公开记录下他非凡广泛兴趣的证据,这一特性在他的一生中始终保持不变。他进入多伦多大学学习,并分别于1909年和1910年获得文学士和硕士学位。他的最早科研出版物似乎是1911年在《加拿大皇家天文学会会刊》上发表的一篇关于达尔文潮汐理论的讨论文章。这次对地球物理学的短暂涉足并未重复,在他紧接着的1912年发表于《物理评论》上的“高压下空气中离子迁移性”一文中,我们看到他已转向了未来从事的研究的工作。Dempster曾讲述过关于这篇论文的一个有趣故事:他在独立变量——空气压力上给出了三位或四位有效数字,这已经足够准确,但他的教授要求他将这些值转换成汞柱厘米。即将前往欧洲之际,Dempster把这个任务委托给了一位同学。该同学完成了转换并将结果精确到六位有效数字,而这个形式的数据至今仍保留在《物理评论》上。

1911年,Dempster赴德国进行了为期三年的研究访问,他是“1851年博览会奖学金”获得者之一,许多该奖学金获得者都在科学史上留下了印记。他先在慕尼黑大学和哥廷根大学各学习了一个学期,随后在维尔茨堡大学度过了两年时光。人们很想知道他为何选择维尔茨堡,因为正是这个决定决定了他整个职业生涯的方向。当时,维尔茨堡大学的物理学教授W. Wien正在从事涉及电场和磁场偏转正离子束的研究。这种技术恰好适合分离同位素,尽管Wien是用它来研究气体中的电荷放电现象,而Dempster在其本应作为博士论文的工作中也采用了类似的技术。然而,由于1914年8月1日的悲剧事件,第一次世界大战爆发,Dempster的德国之行突然中断。作为英国国民,他面临被逮捕和拘禁的严重危险,于是明智地选择了最后一班载着平民离开维尔茨堡的火车逃离。

被迫重新开始攻读博士学位进程的Dempster选择了芝加哥大学。他在1914年秋季开学时抵达该校。很快便显现出他是一个出类拔萃的人才,因此当1916年芝加哥大学授予他最高荣誉等级博士学位时,无人感到惊讶。在此之前三十年间,仅有另一位物理学博士生获此殊荣。在第一次世界大战期间服务于美国军队并在此过程中成为美国公民后,Dempster于1919年回到芝加哥大学,担任物理学助理教授。他在芝加哥大学感到非常愉快,而芝加哥大学也因他的存在而倍感荣幸。自1919年起,除了度假、一个夏季季度在斯坦福大学任教以及1941年曾短暂参与华盛顿的“机密”工作之外,他从未离开过芝加哥大学。

在芝加哥大学的新职位上,Dempster立即开始了多项物理研究,这些研究不仅展示了他在实验技术上的精湛技艺,而且证明了他在选择重要问题进行研究时的敏锐洞察力。可以说,他所做的几乎每一个实验都涉及对正离子或当时称之为“ canal rays”(阳极射线)的正电荷原子和分子束性质的研究。这些粒子通过施加电场加速至高速,在真空中表现为一条或多条微弱发光的直线射线,并可在残留气体中穿行。这些射线通常沿直线运动,但可以通过电场或磁场使其偏离或偏转。质量较重的射线组分通常比质量较轻的组分更难以偏转,因此偏离后的射线会分解成许多较小的射线束,每个射线束代表原始射线中的一个特定质量。这种对正离子束成分的分析被称为质谱分析,而正离子束在这方面的应用构成了Dr. Dempster的主要工作重点。

Dempster设计的21- 103质量分析仪示意图,大约在1945年。(摘自宾夕法尼亚州费城化学传统基金会的仪器手册集)

现代质谱仪的直接先驱是J. J. Thomson于1913年实现的所谓正离子抛物线技术。在此技术中,来自部分真空容器内部电辉光放电区域并通过阳极小圆柱形通道逸出的正离子进入第二个压力稍低的容器,在此过程中它们穿过一个叠加了磁场的电场,两个场的力线保持平行。由此产生的电场和磁场偏转与单个粒子在正离子束中的能量和动量成反比,在垂直于管道轴线放置的照相板上,相同质量的离子会在板上形成抛物线分布,曲线上任何一点的笛卡尔坐标给出了在该点产生可显影影像的粒子的能量和动量。汤姆孙轻易观察到了氢(原子态和分子态)、一氧化碳、二氧化碳以及汞产生的抛物线。在他的经典实验中,使用天然氖(原子量20.183),他观察到两条紧密相邻的抛物线分别对应质量为20和22的同位素,并正确地得出结论:天然氖是由两种具有非常接近整数原子量的同位素混合而成的。

这一重大发现无疑激发了Dempster和其他所有了解其重要性并对此感兴趣的人的思维。对于此时开始职业生涯的Dempster来说,被吸引到这个领域并不奇怪。Dempster带来了一系列强大的才能,其中一些可以归纳如下:(1) 他对物理学怀有学者般的兴趣,广泛阅读并深入了解该学科,从而能够将不同物理领域的知识应用于手头的问题。 (2) 他在实验室中表现出非凡的技术能力。他热衷于设计机制和仪器,并展示出了显著的科学发明技能。遗憾的是,在很多情况下,这类技术能力并未与深厚的学术素养相结合,而在两者的结合上,Dempster则表现得尤为出色。(3) 他的智慧和远见使他能识别真正重要的问题,从而避免在琐碎的科学问题上浪费时间和精力。

这些对质谱学问题的影响在他进入该领域后立即显现出来。他意识到J. J. Thomson最初的装置可以被改进为真正的质谱仪,其目的就是将离子束分析为其所包含的各种质量成分。抛物线提供的信息超出了所需;它们同时给出了质量和能量分布。然而,这种做法是以强度为代价的。如果仅仅想确定存在哪些质量成分,为何要将相同质量的粒子沿抛物线分散开来;何不将所有相同质量的粒子聚集到一个位置上?

实际上,这一改进由F. W. Aston和Dempster分别独立地以两种不同的方式实现。Aston让电场和磁场的力线在直角处交叉,并在离子束路径的不同位置而非同时施加这两个场。通过这种方式,无论离子从源发出时的速度如何(在一定范围内),所有具有相同质量和电荷的粒子都能在照相板上的同一位置聚焦。不过,必须注意选择方向平行的离子束进行分析。这种技术可直观地描述为速度聚焦。

而Dempster的方法则称为方向聚焦。这种方法无需长管道来选择并仅分析那些近似平行束传播的正离子,而是接受发散束,只要它们的能量大致均匀即可。Dempster通过使用在整个离子偏转区域保持恒定的均匀磁场以及将定义的入口孔径和检测器设置在圆形离子路径上的180°位置来实现方向聚焦。与传统的气体放电作为离子源不同,Dempster采用蒸发待分析物质固体沉积物的方式,利用铂丝加热使其产生离子,通过伴随的电子轰击形成离子。离子的产生及其加速过程在相对较高的真空条件下进行,从而确保了所需的能量均匀性。在这项工作中,新型离子源类型的创新与引入方向聚焦对正离子分析同样重要。气体放电型离子源必然局限于那些能够以气态形式制备的材料。Dempster能够将其研究扩展至固态样品,正是由于他采用了这类固态样品,才使得他在17年后做出了最重要的单一同位素发现——铀235。他立即将新方法应用于锂和镁的研究,这两种元素难以制备成气态化合物。随后,他还完成了铂、钯、铱和金的首次同位素分析。

现代质谱仪大都包含了方向聚焦和速度聚焦两种方式,Dempster正是推动构建此类仪器的先驱之一。实际上,在1933年至1935年间,三个实验室独立建造了三台双聚焦质谱仪。1935年,Dempster首先发表了关于此类完成仪器的描述。双聚焦是通过使用圆柱形静电场实现方向聚焦,然后是一个适当的磁场所产生的速度聚焦。如此设计出的质谱线非常尖锐,只需短暂曝光就能得到清晰可发展的图像。这是Dempster的特点,即他于1935年完成这台仪器后,全面深入地探索了周期表中剩余的所有元素,并一直使用这台仪器直到去世。其他人采纳了他帮助引入的新原理,构造了更大、更复杂的仪器,但他坚持使用他的1935年设备,并从中提取出了时间允许的一切信息。尽管离子源的改进一直在进行中,但在1920年代早期,当时芝加哥大学教员R. A. Millikan开发了一种“热火花”光源,用于增强远紫外区的光谱线。这些线条源自高度电离或“剥离”的原子,Dempster对此类多电荷离子的偏转感兴趣。他的源发展与Millikan的工作平行,二者相互激发。Dempster在研究核内能量含量可推断的填充分数方面,巧妙地运用了重元素的多重电荷离子。

1938年,Dempster发表了一篇可能是他最重要的单一论文,其中总结了他的结果和其他人的成果,讨论了“重核的能量内容”。他清楚地表明,核子的能量内容在较重元素中上升,在接近铁的区域经历了一个最小值。这一点通过先前提及的多重电荷离子得到了清晰展示。例如,如果锡119和铀238的质量恰好为整数,则双电荷的铀238在质谱仪中的谱线应精确地与单电荷的锡119重合。事实上这两条线并未重合的事实使Dempster能够提供数据预测,当重核(如铀)分裂成两个大约为其一半重量的轻核时会释放的能量。这就是我们所说的裂变过程。虽然他并没有预测到裂变现象(当时也没有其他物理学家做出这样的预测),但正是Dempster的结果表明,在这样的分解过程中,每个铀核将会释放出1.96亿电子伏特的能量。这无疑极大地提高了人们对这一发现的兴趣。当所谓的“冶金项目”(旨在开发原子能的军事应用)来到芝加哥大学时,Dempster教授的实验室立即被纳入了这一研究项目中。这项工作的意义重大,以至于他获得了前所未有的财务支持和实验设备。他对新机遇的喜悦在战后成立的阿贡国家实验室得以延续,并显而易见。他从物理学系请假直至去世,每天都坚持在实验室工作。

晚些年里,他进行的众多实验之一是检测镉的一种同位素,该同位素负责天然材料对中子的巨大吸收能力。研究人员向他提供了在链式反应堆中暴露于极高中子浓度下的镉样品,他的质谱仪立刻显示出在中子吸收过程中哪些同位素发生了转变。他还进行了类似实验以检测钐和钆的中子吸收同位素。这些精彩的研究成果已经出现在核物理学教科书的示例材料中,并将在未来多年内继续作为教学参考。

尽管Dempster主要因其在质谱学领域的专长而被铭记,但他在物理学研究和学术兴趣上的视野更为广阔。1945年,在多伦多大学授予他荣誉科学博士学位前不久,他自己准备了一份关于自己工作的评价报告,在其中列出了除质谱学外,他还做出了贡献的其他六个研究领域:

(1) 高压下空气中离子的迁移性;(2) 氦气压力导致光谱线展宽的研究;(3) 电子纯冲击作用下气体形成的电离产物;(4) 各种能量正离子激发和发射的光;(5) 辐射过程与单个光量子干涉的研究 ;(6) 氦气中质子和其他离子的通过

然而,回顾过去,我们发现这些研究要么是从主路径的偏离,要么是在他专注于质谱学之前所做的初步研究。它们中的任何一个都没有深入到足以产生重大贡献的地步。1929年,他曾投入大量时间研究钙石和其他晶体对质子束的反射现象,当质子束以极小的折射角落在切割面上时会出现特殊效应。在他的一些早期实验中,离开晶体面的束流中出现了一种模式,他谨慎地提出这可能是一种衍射模式,可能是质子运动受量子而非经典力学控制的直接证据。不过,两年之前,Davisson和Germer已经发表了显示电子存在相似效应的实验结果。进一步的实验表明,这种模式复杂多样且因晶体不同而变化。最终,他放弃了这方面的工作,确信无法基于衍射原理给出简单的解释。

Dempster对物理学的贡献得到了许多荣誉奖项的认可。1937年,他当选为美国国家科学院院士。1932年,他成为美国哲学学会成员,并获得了该学会颁发的Lewis奖和Glasham金质奖章,这令他深感荣幸。1944年,他担任了美国物理学会主席。他的母校多伦多大学在1947年授予他荣誉科学博士学位,这一时刻在他的众多亲戚朋友所在的城市举行并受到了大家的热烈庆祝。

Dempster去世时,他是芝加哥大学物理科学部的物理学教授,并担任阿贡国家实验室质谱学分部的主任。Dempster不仅在学术和研究领域取得了显著成就,而且还是一个深受学生、同事及同行尊敬的导师和合作者。他的实验室吸引了众多才华横溢的年轻人,他们在此受到严谨而富有启发性的指导,为日后的职业生涯奠定了坚实的基础。他与世界各地的研究者保持着紧密的合作关系,并积极参加各种国际会议和研讨会,促进了质谱学领域的全球交流和发展。

此外,Dempster在科学教育方面的贡献也不容忽视。他在芝加哥大学的教学工作中,致力于培养下一代物理学家,特别是对质谱技术的理解和应用。他以深入浅出的方式教授复杂的理论知识,并鼓励学生们动手实践,亲自设计和改进实验装置,这种教学方法极大地激发了学生的创新思维和科研能力。在他的领导下,阿贡国家实验室的质谱学分部成为当时世界上该领域的领军机构之一,为核物理学、化学、地质学、生物学等多学科提供了重要的分析工具和技术支持。同时,他通过推动质谱仪的商业化生产,使得这一精密仪器得以广泛应用于工业、医学和环境监测等多个领域,极大地扩展了质谱学的应用范围和社会影响力。

综上所述,Arthur Jeffrey Dempster是一位具有前瞻性和开创性的科学家,他对质谱学的卓越贡献以及对科学教育的热情投入使他成为了20世纪物理学界不可忽视的一位重要人物。尽管他已经离世,但他的科研成果和学术遗产依然深刻地影响着现代科学的发展,并激励着后继者继续探索未知的科学世界。(结束)

纽约时报特稿 ——物理学家A.J.登普斯特博士去世,享年63岁

芝加哥,1950年3月11日讯——芝加哥大学物理学教授、铀235这一原子炸弹关键元素的发现者阿瑟·J·登普斯特博士今日在佛罗里达州斯图尔特市度假期间因心脏病发作去世。享年63岁。作为质量光谱学和原子核相对稳定性的权威专家,登普斯特博士因其关于铀裂变过程中大量能量释放的实验而在国际上享有盛誉。他早期的工作集中在同位素研究领域,并对原子量进行了首次定量研究。被视为正离子领域的首要权威,他进行了一系列广泛的研究,其中一项重大成果是证明质子穿越氦气时几乎不受偏转影响。登普斯特博士还发现了氢原子中的质子具有波动特性,且其振动频率为光波频率的一百万倍。尽管波形不同,但这一频率与宇宙射线相当。

自1917年起,他就成为芝加哥大学教员,并于1927年晋升为正教授。他曾当选为美国国家科学院院士,并荣获美国科学促进会颁发的1000美元奖金以及美国哲学学会的刘易斯奖。登普斯特博士于1916年在芝加哥大学获得博士学位,此前分别于1909年和1910年在多伦多大学获得了学士学位和硕士学位。1937年,多伦多大学向他授予了荣誉哲学博士学位。在第一次世界大战期间,登普斯特博士以无线电信技术专家的身份服务于陆军信号兵团。他身后留下了他的妻子格雷梅内·科莱特·登普斯特夫人,她在他离世时陪伴在他身边。他们没有子女。



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