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？
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。
质谱仪的原理图如下：
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：
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。
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，也是一个循序渐进的过程。
出品：科普中国
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编辑：Aprilis
发表于 2018-5-15 23:34
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