1886年，德國科學家戈德斯坦在研究低壓放電時發現，不僅有陰極射線射向陽極，而且有一種帶正電荷的粒子流射向陰極，這就是陽射線。實際上，氣體原子和分子受陰極射線電子的激烈撞擊後，會形成陽離子，幾乎所有原子，甚至包括惰性氣體，都可以利用低壓放電方式變為氣態陽離子，這些陽離子組成了陽射線。1913年，英國科學家湯姆孫，用研究陰極射線的同樣方法，測定陽離子質量和它所帶電荷的比，即質荷比。將陽射線通過一個電場和一個磁場，質量、電荷不同的陽離子在電磁場中偏轉程度不同，從電磁場中出來射在照相底片上的位置不同，彼此按一定規律分開。湯姆孫用這種方法發現了元素氖的兩種不同原子（同位素），即氖－20和氖－22，並測得了它們的百分比。
1919年，英國化學家阿斯頓在湯姆孫研究陽射線方法的基礎上發明了可以精確測定原子量的質譜儀。將具有一定運動速度的陽離子射線通過兩個狹縫進入電場，不同速度的陽離子在電場中偏轉程度不同，速度大的偏轉程度小；陽離子射出電場，通過小門進入磁場，也發生偏轉，偏轉程度決定於運動的陽離子的質量和電荷比，即質荷比。結果質荷比相同的陽離子聚集在照相底片上成為一條短直線影像，不同質荷比陽離子相互分開，在照相底片的不同位置留下短直線影像。這些短直線影像類似光譜線，但與它們的質量有關，因而被稱為質譜，這種儀器就叫質譜儀。1922年，阿斯頓因運用質譜儀發現多種穩定同位素而榮獲諾貝爾化學獎。現代質譜儀經過不斷改進，測量的速度和精度大大提高。
陽離子束在質譜儀內偏轉程度一方麵取決於儀器和操作因素：磁場越強偏轉程度越大；加速電壓越高離子運動速度越快，則在磁場中偏轉越小。另一方麵是離子本身的性質：離子質量越大偏轉越小；離子電荷越大受磁場作用越強，偏轉也越大。這就是用質譜儀測定原子量和同位素分離的基本原理。
現以氦原子量測定為例，先將作為原子量基準的碳－12一價陽離子送入質譜儀，記錄它到達照相底片的位置和磁場強度。然後把一價氦－4陽離子送入質譜儀，在相同的電壓和磁場強度作用下，比碳－12輕的氦－4陽離子必然偏轉向另一點，調節降低磁場強度，使其恰好也到達碳－12陽離子在照相底片的位置，記下此時的磁場強度。計算二者質量和磁場強度之比例氦－4質量碳－12質量＝（氦－4磁場強度碳－12磁場強度）2計算得氦－4的原子量為4．003。
測定具有幾種不同位素的原子量比較複雜。例如，汞有7種穩定同位素，當一價汞陽離子射線通過磁場後，要分為7條射束分別在照相底片的7處形成短直影像，由於各種同位素含量（豐度）不同，影像也不同，測量和計算比較麻煩。現在是采用質量雙線法精確測定元素各同位素的精確質量。