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质谱仪最早开创者:阿斯顿和登普斯特对元素同位素分析的重大革新

已有 881 次阅读 2024-2-21 12:05 |个人分类:自然科学|系统分类:人物纪事

质谱技术的发展与两位科学家紧密相连:阿瑟·杰弗里·登普斯特(Arthur Jeffrey Dempster)和弗朗西斯·威廉·阿斯顿(Francis William Aston)。他们各自对质谱技术的贡献有着显著的区别。

登普斯特在1918年制造了第一台质谱仪,并开始在芝加哥大学教授物理。他在1936年与肯尼斯·t·班布里奇(Kenneth T. Bainbridge)和J.H.E.马塔奇(J.H.E. Mattauch)合作开发了一种双聚焦型质谱仪,用于测量原子核质量。登普斯特致力于使用质谱技术来发现化学元素的稳定同位素及其相对丰度,他是继弗朗西斯·威廉·阿斯顿之后发现此类同位素最多的人。登普斯特还发明了磁分析器,后来被称为登普斯特质谱仪,主要用于化学分析和同位素分离。他的主要成就是成功地将铀-235从天然铀中分离出来,这是重元素同位素的大规模有效分离的第一次实现,对核物理学和原子弹研究具有里程碑意义。

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阿瑟·杰弗里·登普斯特(Arthur Jeffrey Dempster)

相比之下,阿斯顿在1919年改进并制造了第一台高分辨率的质谱仪,这种仪器能够精确测量原子的质量,并区分出非常接近的质量差。他使用这一装置发现了多种元素的同位素,并且首次证明了自然界中几乎所有元素都有至少两种或更多质量不同的同位素存在。阿斯顿的质谱仪设计通常包括电场和磁场来分离带电粒子,并通过测量这些粒子的偏转角度和飞行时间来确定它们的质量。

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弗朗西斯·威廉·阿斯顿(Francis William Aston)

尽管两位科学家都在质谱领域取得了突破,但他们的贡献侧重点有所不同。阿斯顿的质谱仪主要用于基本科学发现和精确测定同位素质量,而登普斯特的发明则更侧重于实际应用和技术革新,尤其是在同位素分离方面。登普斯特的质谱仪设计更注重于同位素的富集和大规模应用,特别是在分离铀同位素时展现出了更高的效率和实用性。(完)

参考资料:维基百科、大英百科全书

附录:

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质谱仪演变,(A) JJ汤姆森用于分析正射线的原始质谱仪1913年(版权归英国皇家学会所有)),(B)登普斯特的单磁扇形仪器1918年(版权归美国物理学会所有)),(C)目前商用磁扇形IRMS的设置,设计与登普斯特的原始设计几乎没有什么不同。

质谱仪自20世纪初以来经历了多次重大改进和发展。

(A) 汤姆森的原始质谱仪:JJ汤姆森在1913年发明了第一台质谱仪,用于分析正射线。这台仪器使用磁场来分离不同质量的离子,并通过检测这些离子的偏转角来确定它们的质量。这台仪器的出现标志着质谱技术的诞生。

(B) 登普斯特的单磁扇形仪器:阿瑟·杰弗里·登普斯特在1918年发明了一种单磁扇形仪器,这是一种早期的质谱仪。这种仪器使用磁场来分离不同质量的离子,并通过检测这些离子的偏转角来确定它们的质量。登普斯特的仪器比汤姆森的仪器更加复杂和精确,它能够测量原子的质量,并区分出非常接近的质量差。

(C) 现代商业磁扇形IRMS:现代商业磁扇形质谱仪(IRMS)与登普斯特的原始设计非常相似。这种仪器使用磁场来分离不同质量的离子,并通过检测这些离子的偏转角来确定它们的质量。现代商业磁扇形IRMS通常具有更高的分辨率和灵敏度,能够分析各种各样的样品,包括气体、液体和固体。

总的来说,质谱仪的发展历程从最初的简单设计到现代高度复杂的仪器,经历了多次重大改进和技术革新。这些改进使得质谱仪成为现代科学研究中不可或缺的工具,广泛应用于化学、生物、医学、材料科学等领域。

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Thomson在质谱技术的发展上做出了奠基性的贡献。他在研究阴极射线的过程中,不仅发现了电子,而且他的工作为质谱仪的原理和设计提供了理论基础。1912年,汤姆逊研制出了第一台简易质谱仪雏形,这一仪器能够利用电场和磁场来分离并测量带电粒子的质量-电荷比。通过他的实验装置,物理学家们可以将物质离子化,并观察它们在电磁场中的运动轨迹,进而根据这些轨迹推算出离子的质量。虽然这与现代精密的质谱仪相比还相当简陋,但其基本原理——利用电场加速离子和磁场偏转离子来进行质量分析,奠定了质谱学的基础。汤姆逊的学生弗朗西斯·阿斯顿(Francis Aston)在此基础上进一步发展了质谱技术,制造了一台分辨率更高的质谱仪,并使用它发现了许多同位素,这项成就使他于1922年获得了诺贝尔化学奖。因此,可以说JJ汤姆逊对质谱学的开创性贡献是该领域发展的起点之一。

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