1886年，德国科学家戈德斯坦在研究低压放电时发现，不仅有阴极射线射向阳极，而且有一种带正电荷的粒子流射向阴极，这就是阳射线。实际上，气体原子和分子受阴极射线电子的激烈撞击后，会形成阳离子，几乎所有原子，甚至包括惰性气体，都可以利用低压放电方式变为气态阳离子，这些阳离子组成了阳射线。1913年，英国科学家汤姆孙，用研究阴极射线的同样方法，测定阳离子质量和它所带电荷的比，即质荷比。将阳射线通过一个电场和一个磁场，质量、电荷不同的阳离子在电磁场中偏转程度不同，从电磁场中出来射在照相底片上的位置不同，彼此按一定规律分开。汤姆孙用这种方法发现了元素氖的两种不同原子（同位素），即氖－20和氖－22，并测得了它们的百分比。
1919年，英国化学家阿斯顿在汤姆孙研究阳射线方法的基础上发明了可以精确测定原子量的质谱仪。将具有一定运动速度的阳离子射线通过两个狭缝进入电场，不同速度的阳离子在电场中偏转程度不同，速度大的偏转程度小；阳离子射出电场，通过小门进入磁场，也发生偏转，偏转程度决定于运动的阳离子的质量和电荷比，即质荷比。结果质荷比相同的阳离子聚集在照相底片上成为一条短直线影像，不同质荷比阳离子相互分开，在照相底片的不同位置留下短直线影像。这些短直线影像类似光谱线，但与它们的质量有关，因而被称为质谱，这种仪器就叫质谱仪。1922年，阿斯顿因运用质谱仪发现多种稳定同位素而荣获诺贝尔化学奖。现代质谱仪经过不断改进，测量的速度和精度大大提高。
阳离子束在质谱仪内偏转程度一方面取决于仪器和操作因素：磁场越强偏转程度越大；加速电压越高离子运动速度越快，则在磁场中偏转越小。另一方面是离子本身的性质：离子质量越大偏转越小；离子电荷越大受磁场作用越强，偏转也越大。这就是用质谱仪测定原子量和同位素分离的基本原理。
现以氦原子量测定为例，先将作为原子量基准的碳－12一价阳离子送入质谱仪，记录它到达照相底片的位置和磁场强度。然后把一价氦－4阳离子送入质谱仪，在相同的电压和磁场强度作用下，比碳－12轻的氦－4阳离子必然偏转向另一点，调节降低磁场强度，使其恰好也到达碳－12阳离子在照相底片的位置，记下此时的磁场强度。计算二者质量和磁场强度之比例氦－4质量碳－12质量＝（氦－4磁场强度碳－12磁场强度）2计算得氦－4的原子量为4．003。
测定具有几种不同位素的原子量比较复杂。例如，汞有7种稳定同位素，当一价汞阳离子射线通过磁场后，要分为7条射束分别在照相底片的7处形成短直影像，由于各种同位素含量（丰度）不同，影像也不同，测量和计算比较麻烦。现在是采用质量双线法精确测定元素各同位素的精确质量。