原子這么小，它的質(zhì)量是怎么得到的？質(zhì)譜儀造

 　　原子是元素能保持其化學性質(zhì)的最小單位。20世紀以前，科學家們認為原子是不可分割的，但是實際上原子也是可以分割的，一個完整的原子由原子核和核外電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子構成。再進一步，質(zhì)子和中子由不同的夸克構成。這里我們對此不做深究。

　　一般原子的直徑在10-10m數(shù)量級，質(zhì)量在10-27kg這個數(shù)量級，直接測量原子的質(zhì)量是不現(xiàn)實的。當然，原子的相對質(zhì)量用"相對原子量"這個單位可以很方便地表示，但是我們也不能總是一直使用相對原子量，偶爾我們還是要知道原子的絕對質(zhì)量的，那么問題就來了，原子這么小，質(zhì)量這么輕，它的精確質(zhì)量是如何獲得的呢?

　　這么小的質(zhì)量當然不可能用普通的天平來稱量了。事實上，最精密的天平(德國生產(chǎn)的"4108 型"天平)的精度也只能達到0.01微克的精度，大概相當于10-11Kg，這其實已經(jīng)相當?shù)木芰耍耆軡M足各種生產(chǎn)生活的需求，但是還遠遠不能達到原子的質(zhì)量所要求的精度。其實原子的質(zhì)量不是直接得到的，原子的質(zhì)量是用一種叫做質(zhì)譜儀的儀器測量出來的。質(zhì)譜儀這個儀器本身的用處很多，并不僅限于測量原子的質(zhì)量。本文主要介紹一下這個質(zhì)譜儀到底是怎么測量原子的質(zhì)量的。

　　質(zhì)譜儀最初是由約瑟夫·約翰·湯姆遜在1912年發(fā)明的，如下圖所示，可以看出質(zhì)譜儀的這個原型很簡陋，但是它的基本原理卻和現(xiàn)在很高級的質(zhì)譜儀是一樣的。

　　質(zhì)譜儀的原理圖如下：

　　如圖所示，是一個質(zhì)譜儀的主要部分，原子樣品從左邊進入質(zhì)譜儀，然后被離子化(常見的離子化方式有電子轟擊，化學電離等)，在這過程中，原子要么被添加幾個電子而帶負電，要么被剝離幾個電子而帶正電，而帶了電的原子也被稱作"離子"。變成離子的原子樣品因為帶電，進入電場之后被加速，等到離開電場之后就具有了一定的速度。然后這些離子被送入具有磁場的腔室，然后具有不同質(zhì)量的離子會出現(xiàn)不同的路徑，通過精確估計這些離子的路徑和速度，就可以十分準確的計算出初始原子的質(zhì)量。

　　在這個過程中，原子的帶電量和入射的初速度是知道的，磁場腔室的磁場的方向和強度也是知道的。如下圖所示，是質(zhì)譜儀簡單的示意圖：

　　如圖所示S1和S2，之間的是離子加速區(qū)，U0是加速電壓，假設離子脫離這個加速區(qū)之后的速度是v，離子進入磁場之后，由于帶電，而且具有速度，因此它會在磁場里會受到一個偏轉(zhuǎn)力，叫做洛倫茲力，這個力和離子的速度方向垂直，大小是F=qvB, 其中q是離子的帶電量，v是離子的速度，B是磁場的強度。離子進入磁場之后，由于洛倫茲力，會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，最后射出磁場，在最右邊的平面上帶電離子最終會擊中一個位置，這個位置和平面中心O的距離和離子的質(zhì)量存在確定的關系，因此只要測出這個距離y，就能知道離子的精確質(zhì)量了。通過離子的質(zhì)量，然后在計算中補償一下電子質(zhì)量所帶來的誤差，就可以很精確地知道初始原子的質(zhì)量了。

　　當然，現(xiàn)在所有已知的原子的質(zhì)量都已經(jīng)被測量了出來，質(zhì)譜儀目前最主要的用途不是用來測量原子質(zhì)量了，而是用來分析樣品的組成成分的，分離同位素以及了解同位素的相對豐度的。因為現(xiàn)有的原子的質(zhì)量都是已知的，只要根據(jù)質(zhì)譜儀里面的偏轉(zhuǎn)路線，就可以判斷出樣品中原子的種類。

　　經(jīng)過好幾代科學家和工程師的努力，現(xiàn)在的質(zhì)譜儀是一件相當完善的科學設備，如下圖所示，這種質(zhì)譜儀一般都可以自動分析樣品的組成，測量原子的質(zhì)量等等，但是它的基本原理是不變的。

　　當然，質(zhì)譜儀出現(xiàn)之前我們也是可以粗略地估計原子的質(zhì)量的，而且還相當準確。上面提到，單個原子非常小，而且很輕，無法直接測量，這沒有錯，但是我們可以通過測量大量的原子的質(zhì)量，然后除以原子的個數(shù)得到單個的原子質(zhì)量。這種方法對于氣體的原子在當時是比較容易實現(xiàn)，這是因為當時對于氣體的研究比較多，科學家們可以比較容易地知道一定溫度和氣壓下的氣體原子的個數(shù)，因此可以通過測量氣體的質(zhì)量來大概估計單個氣體原子的質(zhì)量。但是對于液體和固體卻不能使用這種方法了，另外由于這種方式誤差很大，在質(zhì)譜儀發(fā)明出來后就不再作為測量原子質(zhì)量的方式了。

　　其實從原子概念的出現(xiàn)到原子質(zhì)量的獲得，這期間有好幾代科學家的努力，并不是某幾個杰出科學家的單獨貢獻，科學既是一個合作的過程，也是一個循環(huán)漸進的過程。