Kütle spektrometresi , atom ve molekül kütlelerinin doğrudan ve en kesin şekilde belirlenmesini sağlar. Kütle Spektrometresi gaz halindeki örneğin, yüksek enerjili elektronlarla bombardımanı ilkesiyle çalışır. Gaz halindeki atomlar veya moleküller ile yüksek enerjili elektronların çarpışması, atom ya da moleküllerden elektron ayrılması sonucu, pozitif yüklü iyonları oluşturur. Bu pozitif iyonlar (kütle m ve yük e) iki zıt yüklü plaka arasından geçerken hızlanırlar. Bu iyonlar manyetik alan içine gönderilir. Belirli hızlardaki iyonlar manyetik alan tarafından dairesel yol alacak şekilde yönlendirilir. İzlenen yolun yarıçapı e/m oranına bağlı olarak değişir. Küçük e/m oranına sahip iyonlar, büyük e/m oranına sahip iyonlara göre daha geniş dairesel yol izlerler. Böylelikle aynı yüklü, ancak farklı kütleli iyonlar birbirinden ayrılırlar. Sapmanın büyüklüğüne bakılarak, her bir iyonun dolayısıyla çalışılan atom ya da molekülün kütlesi belirlenir. En sonunda, ayrılan iyonlar dedektöre ulaşır ve bir akım oluşturur. Oluşan akım dedektöre çarpan iyon sayısı ile doğru orantılıdır ve bu durum izotopların göreceli bolluğunu bulmamıza yardımcı olur.
İlk kütle spektrometresi 1920 yılında İngiliz fizikçi F.W Aston tarafından bulunmuştur. Ancak bu cihaz bugünkü durumuna göre daha az duyarlıydı. Buna rağmen neon izotoplarında kesin doğru sonuçlar vermişti. Örneğin, neon-20 için atom kütlesi 19,9924 akb ve doğal izotop bolluğu %90,92, neon-22 atom kütlesi 21,9914 akb ve doğal izotop bolluğu %8,82 olarak bulunmuştur. Daha kapsamlı ve duyarlı spektrometrelerin bulunması ile neon’un üçüncü izotopu da gözlenmiş ve atom kütlesinin 20,9940 akb ve doğal bolluğun %0,257 olduğu ispatlanmıştır. Bu örnek deneysel duyarlılığın kimya gibi nicel bilimlerde, ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Eski denemeler neon-21 izotopunun varlığı, doğal bolluğu %0,257 gibi az bir miktar olduğu için ölçülememiştir. Bir başka ifade ile 10,000 neon atomundan sadece 26 tanesi neon-21 dir. Moleküllerin kütleleri de benzer şekilde belirlenmektedir.