小中大同位素研究解决了两个悬案
质谱仪的使用、同位素的研究还解决了一个长期争论而又迷惑不解的问题。自从1815年英国医生普劳特提出所有元素的原子量均为氢原子量的整数倍的假说后,人们一直对此假说半信半疑。开始时,一些化学家认为它有道理,然而精确测定原子量的结果只能使他们垂头丧气。当门捷列夫提出元素周期律,揭示了元素间存在内在联系的规律性后,一些化学家重提普劳特假说,认为它可能是正确的。当时英国化学家克鲁克斯就在一篇题为“元素的产生”的论文中提出:“所谓元素或单质实际上都是复合物,所有元素都是由一种原始物质逐步凝聚成的”。斯塔关于原子量的精确测定再次否定了普劳特的假说。科学界当然不能接受克鲁克斯的观点。
门捷列夫的化学元素周期律大家认为可以信赖,但是在周期表中,钾和氩、钴和镍、碲和碘的排列位置不是按原子量的大小顺序,而是颠倒顺序排列的,这是为什么?直到20纪初,人们仍然不得其解。
阿斯顿运用质谱仪对众多元素所作的同位素研究,不仅指出几乎所有的元素都存在同位素,而且还证实自然界中的某元素实际上是该元素的几种同位素的混合体,因此该元素的原子量也是依据这些同位素在自然界占据不同比例而得到的平均原子量。例如氯元素,它一直被当作反驳普劳特假说的最好事例,其原子量为35.457,据测定自然界的氯有两种同位素: Cl35、Cl37。其丰度为Cl35:Cl37=3:1,所谓丰度即同位素在自然界该元素中所占的百分比。所以氯的原子量既不是整数的35,也不是37,而是35.46。大多数元素的原子量为什么不是整数,原因就在这里。因此,阿斯顿道出了元素质量的整数法则。为什么元素质量存在整数法则,随着原子结构秘密被揭开,质子、中子等基本粒子被揭示,这个问题也就迎刃而解了。
阿斯顿对同位素及其丰度的测定,指出氩、钾都各有三种同位素,他们的丰度分别为:Ar36:Ar38:Ar40=0.31:0.06:99.63,K39:K40:K41=93.31:0.011 :6.68,故它们的平均原子量分别为Ar=39.948,K=39;102。尽管氖的平均原子量比钾大,但是它的原子序数即原子的核电荷数确实比钾小,故门捷列夫的元素周期表是正确的。钴和镍、碲和碘的情况也是如此。所以阿斯顿的同位素研究又解决了一个悬案。
阿斯顿的工作立即获得了科学界的高度评价。卢瑟福在给几位科学家同行的信中说:“阿斯顿利用他发明的质谱仪,发现了氖、氯、汞等元素的同位素。我看到有关的所有照片,结果似乎是肯定的。阿斯顿是一个好的实验家,很有技巧,因为他拼命工作了多年,理应获得这个成功。”
优秀的传统,丰富的主活
阿斯顿有一句名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量。”这实际上是卡文迪许实验室的一个传统,这一传统要求科学工作者要学会自己动手去制作仪器,亲手去做实验,通过基本实验技巧的训练,才能成为一个优秀的科学家。这句名言也正是阿斯顿自己一生科研生涯的写照。在他荣获1922年的诺贝尔化学奖后,他仍然坚持工作在实验室,对质谱仪作进一步的改进和完善,从而使他后来又制成了三台质谱仪,其倍率达两千倍,精度达十万分之一。现在通过质谱仪,已测出地球上存在的同位素达489种,其中稳定同位素有264种,天然放射性同位素有225种。此外还发现人工放射性同位素达2000多种。建设这些知识的宝库当然有阿斯顿的一份重要的贡献。
阿斯顿不仅擅长实验,是一位杰出的实验家,而且兴趣广泛、知识渊博。为了调节他那长期呆在实验室的艰苦生活,他很喜欢旅,还坚持参加体育运动,和他有精湛的实验技巧一样,他也是一个技术高超的摄影家,同时还是一个业余的音乐家。总之,他的生活远不象许多人想像的那样单调乏味。他还是一个善于筹集资金,精干经营的事业家。当今剑桥大学三一学院所积累的巨额资产中,就有当年阿斯顿所筹集的。
1945年11月20日,何斯顿在剑桥大学因病逝世,终年68岁。他在科学事业上的杰出贡献使他获得不少荣誉,人们为了纪念他,特地把他制作和发明的许多仪器都妥善地保存下来,展示在伦敦博物馆和卡文迪许实验室博物馆内。