質(zhì)量單位——千克的重新定義 質(zhì)量單位千克是單位制（International System of Units，SI）的七個(gè)基本單位之一，初的定義始于1791年，它與長(zhǎng)度單位有關(guān)，規(guī)定1立方分米的純水在4攝氏度時(shí)的質(zhì)量為1千克。18世紀(jì)末期，法國(guó)科學(xué)院計(jì)劃將克作為質(zhì)量基本單位，并制作實(shí)物基準(zhǔn)器。但受工藝和測(cè)量技術(shù)所限，只能制造出質(zhì)量是克的1000倍的標(biāo)準(zhǔn)器，千克原器由此而來(lái)。這也是單位制中質(zhì)量單位是千克而不是克的主要原因。因此，千克成為為一帶有單位制詞頭的基本單位。1879年，英國(guó)Johnson-Matthey公司制造了3個(gè)圓柱體砝碼（KI、KII、KIII）作為千克原器的備選樣品。1880年，經(jīng)過(guò)對(duì)3個(gè)圓柱體砝碼的多次測(cè)量和校準(zhǔn)，證明了KIII與千克檔案中記錄的質(zhì)量一致。1882年，KIII作為千克原器，由計(jì)量局（BIPM）保管。1889年，屆計(jì)量大會(huì)（CGPM）將千克原器（International Prototype of Kilogram，IPK）的質(zhì)量定義為1千克。 千克原器是一個(gè)高和底面直徑均為39毫米的正圓柱體。它由鉑銥合金制成，其中鉑含量為90%，銥含量為10%，合金密度約為21500千克/米3。鉑的穩(wěn)定性符合千克原器的要求，銥可增強(qiáng)其耐腐蝕性。 1889年，BIPM共復(fù)制了40個(gè)與IPK同樣尺寸的鉑銥合金圓柱體砝碼，經(jīng)過(guò)與千克原器比對(duì)后，BIPM把其中的一些砝碼分發(fā)給《米制公約》成員國(guó)作為國(guó)家基準(zhǔn)（National Prototype），并保留了6顆作為復(fù)制品（Official copies）。此外，BIPM還保留了一些復(fù)制品作為工作基準(zhǔn)以及特殊用途的基準(zhǔn)。在第二次世界大戰(zhàn)前，擁有千克原器復(fù)制件被視為國(guó)家榮耀；在二戰(zhàn)期間，戰(zhàn)勝國(guó)對(duì)戰(zhàn)敗國(guó)的懲罰之一就是奪取其千克原器的復(fù)制件。截至2016年，BIPM制造的千克原器共110個(gè)。 從1889年到1989年的100年間，BIPM以IPK為參考對(duì)BIPM保存的6顆復(fù)制品和各個(gè)會(huì)員國(guó)的國(guó)家基準(zhǔn)進(jìn)行了3次周期比對(duì)驗(yàn)證。比對(duì)結(jié)果表明，6顆作證基準(zhǔn)及其質(zhì)量值變化了50微克。作為實(shí)物基準(zhǔn)的千克原器的穩(wěn)定性受到科學(xué)家們的質(zhì)疑，科學(xué)家們開始致力于質(zhì)量單位的重新定義。有科學(xué)家提出，可以使用自然界中的基本物理常數(shù)來(lái)重新定義質(zhì)量單位。因?yàn)檫@些物理常數(shù)的定義不會(huì)改變，用它們來(lái)定義包括千克在內(nèi)的基本單位，就再也不用擔(dān)心隨時(shí)間推移會(huì)影響單位的量值了。 2013年，質(zhì)量及其相關(guān)量咨詢委員會(huì)制定了千克重新定義的路線圖，給出了千克重新定義需要滿足的4個(gè)條件，起草了千克重新定義的指南，希望在2018年計(jì)量大會(huì)上采用普朗克常數(shù)重新定義千克。 二 重新定義后帶來(lái)的影響 質(zhì)量是物理學(xué)中基本的概念之一，它的內(nèi)涵隨著科學(xué)的發(fā)展而不斷完善。大至天體和星系的宏觀世界，小至原子和基本粒子的微觀世界，凡是物質(zhì)都具有質(zhì)量。 用恒定不變的量——普朗克常數(shù)重新定義千克后，使質(zhì)量基本單位更加穩(wěn)定，量值傳遞更加可靠，不再擔(dān)心千克原器丟失、損壞給質(zhì)量量值統(tǒng)一帶來(lái)毀滅性的災(zāi)難。重新定義“千克”意味著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展可使質(zhì)量測(cè)量變得更科學(xué)、更合理、更。從科學(xué)的角度來(lái)看，質(zhì)量測(cè)量在航空航天、智能交通、高速鐵路、汽車制造、生物醫(yī)藥、化學(xué)制品、半導(dǎo)體材料、火箭配藥等領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用。 計(jì)量委員會(huì)（CIPM）于2005年起草了關(guān)于采用基本物理常數(shù)定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)h、波爾茲曼常數(shù)k、阿伏伽德羅常數(shù)NA等基本物理常數(shù)定義質(zhì)量單位kg、溫度單位K和物質(zhì)的量單位mol，從而改變基本單位自有定義以來(lái)，依賴于實(shí)物的歷史。第24屆計(jì)量大會(huì)正式批準(zhǔn)7個(gè)基本單位定義在基本常數(shù)上的建議。 采用SI基本單位的新定義后，基本物理常數(shù)將與真空中的光速一樣，成為*常數(shù)?；疚锢沓?shù)的不確定度整體上會(huì)有很大提升，這對(duì)于科學(xué)研究和社會(huì)方方面面將帶來(lái)很多影響。 根據(jù)計(jì)量委員會(huì)單位制委員會(huì)（CCU）的建議，千克的新定義為：千克，符號(hào)kg，是質(zhì)量的SI單位。它采用普朗克常數(shù)h的固定數(shù)值6.62607015×10-34定義，其單位為Js，等于kg m2 s-1，其中米和秒是依據(jù)c和ΔνCa定義。即1千克為“對(duì)應(yīng)普朗克常數(shù)為6.6260701475× 10-34Js時(shí)的質(zhì)量”。 目前全面實(shí)現(xiàn)計(jì)量單位量子化定義的條件已經(jīng)基本具備，第26屆計(jì)量大會(huì)將于2018年11月對(duì)新的計(jì)量單位定義進(jìn)行表決。表決通過(guò)后，2019年5月20日“世界計(jì)量日”起將正式實(shí)施全面重新定義的計(jì)量單位制。 三 我國(guó)為應(yīng)對(duì)千克重新定義開展的研究 根據(jù)千克重新定義指南的描述，千克重新定義涉及兩方面的重點(diǎn)研究工作，一方面是量值復(fù)現(xiàn)研究，另一方面是量值傳遞研究。 針對(duì)普朗克常數(shù)的精密測(cè)量及千克單位的重新定義，目前上占主流的方案有兩種： 1.基于電學(xué)量子基準(zhǔn)（量子化霍爾電阻基準(zhǔn)、約瑟夫森量子電壓基準(zhǔn)）測(cè)定普朗克常數(shù)h的“功率天平”方案。 2.X射線單晶密度法（硅球方案）測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)NＡ，進(jìn)而也可得到普朗克常數(shù)h的量值。 功率天平方案由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）的Kibble博士于1975年提出，此后，陸續(xù)有美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、瑞士計(jì)量院（METAS）、法國(guó)計(jì)量院（LNE）、計(jì)量局（BIPM）和加拿大（NRC）等采用功率天平方案開展研究，歷時(shí)10~30年不等。近年來(lái)，新西蘭、韓國(guó)、土耳其也開展了類似的研究，德國(guó)計(jì)劃于近期開始“功率天平”項(xiàng)目的研究，英國(guó)NPL于2009年將其研制的“功率天平”裝置轉(zhuǎn)讓給了加拿大NRC，近期NPL計(jì)劃重啟該項(xiàng)目的研究。這說(shuō)明上對(duì)于千克單位的重新定義非常重視和關(guān)注。鑒于千克單位重新定義這項(xiàng)工作的難度，它被Nature雜志評(píng)為當(dāng)今世界的六大科學(xué)難題之一。 我國(guó)積極參與這一重大變革，否則將來(lái)無(wú)法獨(dú)立復(fù)現(xiàn)質(zhì)量單位，而需要溯源到其他國(guó)家，造成我國(guó)技術(shù)主權(quán)的不完整。為應(yīng)對(duì)這一重大變革，張鐘華院士團(tuán)隊(duì)于2006年提出了一種基于電磁能量與機(jī)械勢(shì)能平衡的“能量天平”新方案，其特點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果只與天平中線圈的靜態(tài)位置有關(guān)，而線圈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差則可被消除。由于我們采用了不同原理的方案而備受關(guān)注，采用不同原理的方案進(jìn)行測(cè)試并相互驗(yàn)證是科學(xué)研究中經(jīng)常采用的方法，如果測(cè)量結(jié)果能夠在不確定度允許的范圍內(nèi)一致，將更有說(shuō)服力。 2007年，在國(guó)家科技部支撐計(jì)劃的支持下，能量天平項(xiàng)目開始原型驗(yàn)證階段的研究。于2011年研制成原型驗(yàn)證裝置，經(jīng)一系列優(yōu)化改進(jìn)后，不確定度達(dá)到2.6×10-6，完成了能量天平的原理驗(yàn)證。2013年中期起，項(xiàng)目組在前期經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開始第二代能量天平試驗(yàn)裝置的研制，于2016年完成新裝置全部硬件、軟件系統(tǒng)的研制和調(diào)試，并實(shí)現(xiàn)了真空測(cè)量。2017年5月，向科學(xué)數(shù)據(jù)委員會(huì)基本物理常數(shù)任務(wù)組（CODATA TGFC）提交了測(cè)量結(jié)果，不確定度為2.4×10-7。 自2007年以來(lái)各國(guó)陸續(xù)發(fā)布測(cè)量結(jié)果，其中2017年各國(guó)發(fā)表的數(shù)據(jù)中，加拿大NRC的不確定度為9.1×10-9，美國(guó)為1.3×10-8，以德國(guó)為主導(dǎo)的IAC采用新硅球得到的不確定度為1.2×10-8，日本NMIJ的不確定度為2.4×10-8。我國(guó)在2017年5月提交的測(cè)量結(jié)果不確定度為2.4×10-7，與國(guó)外相比有一定差距。該項(xiàng)目的研究人員目前正在抓緊研究，預(yù)期在近2~3年內(nèi)可達(dá)到10-8量級(jí)的不確定度水平。 千克重新定義使用的功率天平法、能量天平法、X射線晶體密度法等都是在真空條件下實(shí)現(xiàn)普朗克常數(shù)的測(cè)量，與空氣中質(zhì)量量值傳遞方法有著本質(zhì)的區(qū)別。為了在千克重新定義后，在真空條件下更、更可靠地完成質(zhì)量量值傳遞工作，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室從2013年開始致力于質(zhì)量單位重新定義以后量值傳遞關(guān)鍵技術(shù)的研究。量值傳遞關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括表面吸附研究、空氣浮力修正研究、真空傳遞關(guān)鍵技術(shù)研究、真空質(zhì)量測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究等。2016年年底自主研制了砝碼表面吸附測(cè)量裝置、空氣浮力修正裝置和真空質(zhì)量測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了真空條件下1千克砝碼的測(cè)量不確定度優(yōu)于3.0×10-8。 質(zhì)量單位——千克的重新定義 |
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