原子這么小，它的質量是怎么得到的？質譜儀造

 　　原子是元素能保持其化學性質的最小單位。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，原子核又由質子和中子構成。再進一步，質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數量級，質量在10-27kg這個數量級，直接測量原子的質量是不現實的。當然，原子的相對質量用"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量的，那么問題就來了，原子這么小，質量這么輕，它的精確質量是如何獲得的呢?

　　這么小的質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，這其實已經相當的精密了，完全能滿足各種生產生活的需求，但是還遠遠不能達到原子的質量所要求的精度。其實原子的質量不是直接得到的，原子的質量是用一種叫做質譜儀的儀器測量出來的。質譜儀這個儀器本身的用處很多，并不僅限于測量原子的質量。本文主要介紹一下這個質譜儀到底是怎么測量原子的質量的。

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

　　質譜儀的原理圖如下：

　　如圖所示，是一個質譜儀的主要部分，原子樣品從左邊進入質譜儀，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，然后具有不同質量的離子會出現不同的路徑，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，是質譜儀簡單的示意圖：

　　如圖所示S1和S2，之間的是離子加速區，U0是加速電壓，假設離子脫離這個加速區之后的速度是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，會產生偏轉，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量了。通過離子的質量，然后在計算中補償一下電子質量所帶來的誤差，就可以很精確地知道初始原子的質量了。

　　當然，現在所有已知的原子的質量都已經被測量了出來，質譜儀目前最主要的用途不是用來測量原子質量了，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。因為現有的原子的質量都是已知的，只要根據質譜儀里面的偏轉路線，就可以判斷出樣品中原子的種類。

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

　　當然，質譜儀出現之前我們也是可以粗略地估計原子的質量的，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量，然后除以原子的個數得到單個的原子質量。這種方法對于氣體的原子在當時是比較容易實現，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，因此可以通過測量氣體的質量來大概估計單個氣體原子的質量。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，在質譜儀發明出來后就不再作為測量原子質量的方式了。

　　其實從原子概念的出現到原子質量的獲得，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，也是一個循環漸進的過程。