1千克究竟有多重？“國際千克原器”說了算！

國際千克原器是一個高39毫米、底面直徑也為39毫米的圓柱體，由鉑銥合金制成，其中鉑含量占90%，銥含量占10%。作為極其重要的質量基準，從1889年以來，它一直被保存在法國巴黎國際計量局。專家們用三層玻璃將它罩好，最外一層玻璃罩里還抽成半真空，以防空氣和雜質進入。國際千克原器還有幾十個復制品，存放在不同國家，作為國家基準。

時光流逝，問題逐漸顯現(xiàn)出來。2013年1月初，德國《計量學》雜志刊載研究報告稱，表面上日積月累的污垢使國際千克原器增重了數(shù)十微克，這樣就影響到了所有與千克有關聯(lián)的單位，如能量單位、力學單位等。一個全世界都要依靠它來確定質量標準的實體，它的質量發(fā)生變化，實在不是一件好事。

有沒有什么方法可以更為精準地定義“千克”，使之不受外界環(huán)境變化的影響呢？

目前，我們使用的大多數(shù)單位都不是采用實物定義，而是以精密的微觀測量為基礎定義的，比如1秒鐘，是用特定原子的某種規(guī)則振蕩來定義的；1米，是用光在真空中299792458分之一秒內(nèi)旅行的距離來定義的。那么千克是否也能用類似的思路來定義呢？如果我們知道某個合適的單個粒子的質量，是不是就能夠用諸如“多少個某粒子的質量”來定義千克呢？

但是，微小物質質量的測量從來不是一件簡單的事情。美國加利福尼亞大學伯克利分校的博士后研究員藍劭宇（Shau？鄄Yu Lan）和他的同事們提供了一種想法。

根據(jù)量子物理學，每種粒子都按照一個特定的、正比于它們質量的頻率振蕩，這種頻率被稱為康普頓頻率。如果我們能測得康普頓頻率，就能夠得到單個粒子的質量，并據(jù)此定義“千克”。但是，康普頓頻率相當之高，比實驗室里通常能夠測量的頻率高出太多，要測得它非常不容易。

藍劭宇和他的同事們經(jīng)過摸索和研究，終于找到方法，測出了一個銫原子的康普頓頻率。他們把銫原子放在一臺干涉儀中，向它發(fā)射激光脈沖，從而產(chǎn)生一個新的可測得的頻率，通過測量這個新頻率來得到銫原子的康普頓頻率。

因為康普頓頻率只和粒子質量有關，且正比于粒子的質量，所以從理論上講，只要我們知道任意一種單個粒子的質量的話，通過測得康普頓頻率就能獲得其他任何粒子的質量，定義千克也就沒有任何障礙了。

看到這里，一定有同學會說：學過高中化學，學過阿伏伽德羅常數(shù)，要求一個粒子的質量不是很容易嗎？要那么麻煩干嗎？問題就在于，我們所用的阿伏伽德羅常數(shù)本身是個近似值，要利用它來確定一個全世界通用的質量基準，肯定是不行的。

所以，藍劭宇說：“我們的實驗用時間測量微觀的質量，如果再加上另一組實驗，也就是計算一個千克的硅圓球體內(nèi)有多少個原子的‘阿伏伽德羅計劃，整個系統(tǒng)就可以用來定義千克了?！?/p>

【練一練】

人們最早選定的時間標準是以地球的自轉以及對太陽的公轉為基礎的，稱為世界時。后來發(fā)現(xiàn)，地球自轉速率并不均勻，它的精確程度約3年差1秒。1967年，第十三屆國際計量大會通過了新的原子秒的定義：“秒是以銫-l33原子基態(tài)的兩個超精細能級間在零磁場下躍遷輻射9，192，631，770周所持續(xù)的時間?！毕铝杏嘘P說法不正確的是 。

A. “原子秒”比“天文秒”更精確

B. 134Cs與133Cs互為同位素，它們的化學性質相似

C. 同樣綠豆大小的Na與Cs，分別放入裝有H2O的燒杯中，Na與水劇烈反應，而Cs與水反應可能會發(fā)生爆炸

D. 基態(tài)Cs原子的兩個超精細能級間躍遷輻射是化學變化

【參考答案】

D 【正因為“天文秒”有每3年1秒的誤差，所以科學界提出了更精確的“原子秒”的概念，A正確。同位素由于外圍電子排布相同，所以，它們的化學性質幾乎相同，B正確。銫與鈉同主族，銫比鈉原子半徑大，金屬性Cs比Na強，單質Cs比單質Na還原性強，與H2O反應時，Cs反應更劇烈，甚至會發(fā)生爆炸，C正確。電子在Cs原子中能級間發(fā)生躍遷是物理變化，所以D選項不正確】

材料提供： 鄭 列

命 題： 富陽中學 董 君