于斌 初永杰 王鵬程 柴方磊

(山東方圓建筑工程檢測中心,山東濟(jì)南 250000)

簡述國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中心,山東濟(jì)南 250000)

千克(Kilogram)是國際單位制中質(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,千克是國際單位制基本單位中唯一仍使用實物進(jìn)行定義的單位,即被定義為國際千克原器的質(zhì)量[1]。2011年國際度量衡大會(CGPM)會議同意以普朗克常數(shù)重新定義千克,并計劃于2014年會議上做出決定。

千克 國際千克原器 國際單位制 普朗克常數(shù)

千克是國際單位制中質(zhì)量的基本單位。1791年，法國科學(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℃時的質(zhì)量。并用鉑銥合金制成原器保存在巴黎，后稱國際千克原器。1901年第3屆國際計量大會規(guī)定：千克是質(zhì)量的單位，等于國際千克原器的質(zhì)量。

作為國際單位制中的七個基本單位，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，若國際千克原器的質(zhì)量有輕微的變動，牛頓的大小也會有相同程度的變動。而壓強(qiáng)的單位帕斯卡的定義有用到牛頓，因此也會隨之變化。這樣的連鎖反應(yīng)會影響許多的單位，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間所作的力，都會受到影響。電流單位安培的定義也和力學(xué)單位牛頓有關(guān)，因此千克的變化會影響安培的大小.也會影響其他電磁學(xué)的單位，例如庫侖、伏特、特斯拉、韋伯等。甚至光度基本單位坎德拉也會受到影響，而流明和勒克斯也隨之影響。

因為許多國際標(biāo)準(zhǔn)制單位的大小都和國際千克原器有關(guān)。因此國際千克原器的品質(zhì)需要認(rèn)真保護(hù)，以維持國際標(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.全世界的國際千克原器復(fù)制品的平均質(zhì)量已和國際千克原器有5.7μg的誤差。世界各國的量測實驗室要在第四次周期性校正時才能確定質(zhì)量變化的歷史趨勢是否會持續(xù)。

國際千克原器（International Prototype of the Kilogram，簡稱IPK）是世界質(zhì)量單位“千克”的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，目前存放于國際計量局(BIPM)中(如圖1)。國際千克原器以鉑銥合金鑄造，因為鉑銥合金有膨脹率低、不易氧化等特點。定義來上說，IPK質(zhì)量的量度值誤差為整零;IPK就是千克。然而，IPK因時間而成的質(zhì)量變量，可經(jīng)由比對世界各地正式復(fù)制品質(zhì)量判定出來，這個過程被稱為“定期核準(zhǔn)”。例如，美國擁有四個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復(fù)制品的兩個。K20被指定為美國的國家首席標(biāo)準(zhǔn)。這兩個原器，跟其他國家的一樣，都要定期送回國際計量局(BIPM)作質(zhì)量核準(zhǔn)。

圖1 國際千克原器

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家原器也會因不同的原因而產(chǎn)生相對于IPK的質(zhì)量變動(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，它們還是會經(jīng)由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質(zhì)量。因此會用一種稱為“BIPM清潔法”的手續(xù)來清潔它們，這種方法是BIPM于1939至1946年間開發(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。國際基本單位總共是7個，其他6個基本單位的定義都已經(jīng)通過物理常量再定義，比如對于長度單位“米”，現(xiàn)已放棄鉑銥合金的米尺，改由恒定不變的光速來定義;而時間單位“秒”則以銫原子的裂變規(guī)律來定義。在國際基本單位中，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個基本國際單位的定義基準(zhǔn)：用物理學(xué)常量來表示千克，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)取代國際千克原器，重新對“千克”下定義，但是給普朗克常數(shù)確定一個精確的數(shù)值本身也是一項非常復(fù)雜的工作[3]。

圖2 各原器隨時間的質(zhì)量變動

2008年04月，不倫瑞克的德國國家計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200萬歐元，合俄羅斯、澳大利亞和德國等科學(xué)精英之力，用時五年制造，質(zhì)量無限接近于一千克，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精確測算出純硅體內(nèi)究竟有多少個原子，從而在測定阿伏伽德羅常數(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]。因為在現(xiàn)行的國際單位制定義下，測量阿伏伽德羅常量，就是間接地測量普朗克常數(shù)[5]。所以德國不倫瑞克的科學(xué)家將對純硅體進(jìn)行實驗，以測算它的硅原子數(shù)量。同時會與稱量千克原器的瓦特秤測量互補(bǔ)，共同提升普朗克常數(shù)的精確度[6]。

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

[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"單位要被一個物理常量取代？》[N].《現(xiàn)代快報》,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].《計測技術(shù)》,2012-06-28.

[6]沈乃澂《計量學(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(二)》[J].《中國計量》,2011-06-10.

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