于斌 初永杰 王鵬程 柴方磊

(山東方圓建筑工程檢測(cè)中心,山東濟(jì)南 250000)

簡(jiǎn)述國(guó)際基本單位千克的發(fā)展

于斌 初永杰 王鵬程 柴方磊

(山東方圓建筑工程檢測(cè)中心,山東濟(jì)南 250000)

千克(Kilogram)是國(guó)際單位制中質(zhì)量的基本單位,也是日常生活中最常使用的基本單位之一。目前,千克是國(guó)際單位制基本單位中唯一仍使用實(shí)物進(jìn)行定義的單位,即被定義為國(guó)際千克原器的質(zhì)量[1]。2011年國(guó)際度量衡大會(huì)(CGPM)會(huì)議同意以普朗克常數(shù)重新定義千克,并計(jì)劃于2014年會(huì)議上做出決定。

千克 國(guó)際千克原器 國(guó)際單位制 普朗克常數(shù)

千克是國(guó)際單位制中質(zhì)量的基本單位。1791年，法國(guó)科學(xué)院指定拉瓦錫負(fù)責(zé)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定。拉瓦錫提出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)采用千克，規(guī)定1千克是1立方分米的純水在4℃時(shí)的質(zhì)量。并用鉑銥合金制成原器保存在巴黎，后稱國(guó)際千克原器。1901年第3屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定：千克是質(zhì)量的單位，等于國(guó)際千克原器的質(zhì)量。

作為國(guó)際單位制中的七個(gè)基本單位，千克的穩(wěn)定性非常重要。例如力的單位牛頓就是定義為使一千克的物體有1m/s2的加速度，若國(guó)際千克原器的質(zhì)量有輕微的變動(dòng)，牛頓的大小也會(huì)有相同程度的變動(dòng)。而壓強(qiáng)的單位帕斯卡的定義有用到牛頓，因此也會(huì)隨之變化。這樣的連鎖反應(yīng)會(huì)影響許多的單位，舉例如能量單位焦耳的定義是用以一牛頓的力使物體位移一米所作的功，而功率單位瓦特的定義則是單位時(shí)間所作的力，都會(huì)受到影響。電流單位安培的定義也和力學(xué)單位牛頓有關(guān)，因此千克的變化會(huì)影響安培的大小.也會(huì)影響其他電磁學(xué)的單位，例如庫(kù)侖、伏特、特斯拉、韋伯等。甚至光度基本單位坎德拉也會(huì)受到影響，而流明和勒克斯也隨之影響。

因?yàn)樵S多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制單位的大小都和國(guó)際千克原器有關(guān)。因此國(guó)際千克原器的品質(zhì)需要認(rèn)真保護(hù)，以維持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制的一致性。盡管有最好的保護(hù)，但是自從第三次周期性校正至今.全世界的國(guó)際千克原器復(fù)制品的平均質(zhì)量已和國(guó)際千克原器有5.7μg的誤差。世界各國(guó)的量測(cè)實(shí)驗(yàn)室要在第四次周期性校正時(shí)才能確定質(zhì)量變化的歷史趨勢(shì)是否會(huì)持續(xù)。

國(guó)際千克原器（International Prototype of the Kilogram，簡(jiǎn)稱IPK）是世界質(zhì)量單位“千克”的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，目前存放于國(guó)際計(jì)量局(BIPM)中(如圖1)。國(guó)際千克原器以鉑銥合金鑄造，因?yàn)殂K銥合金有膨脹率低、不易氧化等特點(diǎn)。定義來(lái)上說(shuō)，IPK質(zhì)量的量度值誤差為整零;IPK就是千克。然而，IPK因時(shí)間而成的質(zhì)量變量，可經(jīng)由比對(duì)世界各地正式復(fù)制品質(zhì)量判定出來(lái)，這個(gè)過(guò)程被稱為“定期核準(zhǔn)”。例如，美國(guó)擁有四個(gè)90%鉑10%銥的千克標(biāo)準(zhǔn)儀，其中K4和K20是1884年制的原批中四十個(gè)復(fù)制品的兩個(gè)。K20被指定為美國(guó)的國(guó)家首席標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)原器，跟其他國(guó)家的一樣，都要定期送回國(guó)際計(jì)量局(BIPM)作質(zhì)量核準(zhǔn)。

圖1 國(guó)際千克原器

除檢核標(biāo)準(zhǔn)可能受到的一般磨損外，就算被小心收藏的國(guó)家原器也會(huì)因不同的原因而產(chǎn)生相對(duì)于IPK的質(zhì)量變動(dòng)(如圖2)，當(dāng)中原因有已知的，也有未知的。由于IPK與它的復(fù)制品都被存放于空氣中，它們還是會(huì)經(jīng)由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質(zhì)量。因此會(huì)用一種稱為“BIPM清潔法”的手續(xù)來(lái)清潔它們，這種方法是BIPM于1939至1946年間開(kāi)發(fā)的，當(dāng)中手續(xù)有用沾有等量乙醚和乙醇的油鞣革輕輕擦拭，用蒸餾過(guò)兩次的水進(jìn)行蒸氣清潔，以及讓原器在核準(zhǔn)前先放7至10天。至2011年，國(guó)際千克原器的重量減少了大約50μg[2]。

科學(xué)家們已經(jīng)找出不少理由要把“千克”的定義給換掉。國(guó)際基本單位總共是7個(gè)，其他6個(gè)基本單位的定義都已經(jīng)通過(guò)物理常量再定義，比如對(duì)于長(zhǎng)度單位“米”，現(xiàn)已放棄鉑銥合金的米尺，改由恒定不變的光速來(lái)定義;而時(shí)間單位“秒”則以銫原子的裂變規(guī)律來(lái)定義。在國(guó)際基本單位中，只剩千克還停留在100多年前的舊標(biāo)準(zhǔn)上。

如何重新定義“千克”，科學(xué)家參照了其他6個(gè)基本國(guó)際單位的定義基準(zhǔn)：用物理學(xué)常量來(lái)表示千克，比如“米的定義便是在真空中行進(jìn)的光在299792458分之一秒內(nèi)通過(guò)的距離。所以科學(xué)家正研究以更穩(wěn)定的量子力學(xué)常數(shù)普朗克常數(shù)取代國(guó)際千克原器，重新對(duì)“千克”下定義，但是給普朗克常數(shù)確定一個(gè)精確的數(shù)值本身也是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作[3]。

圖2 各原器隨時(shí)間的質(zhì)量變動(dòng)

2008年04月，不倫瑞克的德國(guó)國(guó)家計(jì)量研究院的研究人員表示，他們將采用直徑10厘米的純硅體去界定比現(xiàn)在的千克質(zhì)量定義更為標(biāo)準(zhǔn)的度量方法。純硅體耗資200萬(wàn)歐元，合俄羅斯、澳大利亞和德國(guó)等科學(xué)精英之力，用時(shí)五年制造，質(zhì)量無(wú)限接近于一千克，是完美的球體，99.99%的材料是硅同位素-硅28。制作純硅體目的是通過(guò)精確測(cè)算出純硅體內(nèi)究竟有多少個(gè)原子，從而在測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)中獲得新的突破，進(jìn)而將質(zhì)量單位“千克”的標(biāo)準(zhǔn)回歸到與恒定常數(shù)相關(guān)的定義中[4]。因?yàn)樵诂F(xiàn)行的國(guó)際單位制定義下，測(cè)量阿伏伽德羅常量，就是間接地測(cè)量普朗克常數(shù)[5]。所以德國(guó)不倫瑞克的科學(xué)家將對(duì)純硅體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以測(cè)算它的硅原子數(shù)量。同時(shí)會(huì)與稱量千克原器的瓦特秤測(cè)量互補(bǔ)，共同提升普朗克常數(shù)的精確度[6]。

2010年10月，國(guó)際度量衡大會(huì)(CGPM)上一些專家提議以普朗克常量重新定義千克[7]。2011年10月的國(guó)際度量衡大會(huì)第24次會(huì)議原則性同意該提議，并決定將原定2015年的第25次會(huì)議提前至2014年舉行，屆時(shí)做出最終決議。

[1]Resolution of the 1st CGPM (1889). BIMP.

[2]秋凌.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)國(guó)際千克原器減少約50微克.科學(xué)網(wǎng),2011-1-28[2011-01-30].

[3]曾偲.《"千克"單位要被一個(gè)物理常量取代？》[N].《現(xiàn)代快報(bào)》,2012年2月27日(第A26版).

[4]科學(xué)家借助硅球重新定義質(zhì)量單位“千克”.新華網(wǎng).2008年04月17日.

[5]李楠,張澤光,駱旭.《千克重新定義研究的最新進(jìn)展》[A].《計(jì)測(cè)技術(shù)》,2012-06-28.

[6]沈乃澂《計(jì)量學(xué)的世紀(jì)變遷 質(zhì)量單位千克與物質(zhì)的量摩爾定義的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)(二)》[J].《中國(guó)計(jì)量》,2011-06-10.

[7]李巖,張繼濤,羅志勇.《阿伏加德羅常數(shù)測(cè)量與千克重新定義》[J].《科學(xué)通報(bào)》, 2011-04-05.