看如何解析質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1kg砝碼有多重
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2021-2-22 17:53:03
一米有多長？一千克有多重？這似乎是個(gè)很簡單的問題。事實(shí)上，古往今來，世界各國科學(xué)家為給出準(zhǔn)確答案而不停探索。至今，在國際單位制的7個(gè)基本單位中，一千克有多重仍沒有固定的答案。為此，記者采訪了中國工程院院士、中國計(jì)量科學(xué)院首席科學(xué)家張鐘華，為我們揭曉其中的奧妙。
砝碼已是最后一個(gè)實(shí)物基準(zhǔn)
早在我們中學(xué)的物理課本中，對質(zhì)量單位千克的實(shí)物基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)千克砝碼原器已做了詳細(xì)的介紹。那是1871年，法國為了改變質(zhì)量單位混亂的局面，規(guī)定了1立方分米的純水在4℃時(shí)的質(zhì)量是1千克，并用鉑制作了標(biāo)準(zhǔn)千克原器，保存在法國檔案局。
1872年，科學(xué)家們通過國際會議，決定以法國的一千克為標(biāo)準(zhǔn)，用鉑銥合金制作標(biāo)準(zhǔn)千克的復(fù)制品。1883年在制作的復(fù)制品中，選了一個(gè)質(zhì)量與“檔案千克”最接近的作為國際千克原器，保存在國際計(jì)量局（設(shè)在巴黎）。1889年，第一屆國際計(jì)量大會批準(zhǔn)以這個(gè)國際千克原器作為質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。
“19世紀(jì)下半葉到20世紀(jì)上半葉，各國建立起了經(jīng)典的計(jì)量基準(zhǔn)，20世紀(jì)50年代以前，基本單位的量值大多由實(shí)物基準(zhǔn)保存及復(fù)現(xiàn)。這些計(jì)量基準(zhǔn)一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)原理，用實(shí)物來表現(xiàn)。比如按X型截面的鉑銥合金米尺上的刻線間距離定義長度單位米，用一組飽和式韋斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池的端電壓的平均值保持電壓單位伏特等等?！睆堢娙A告訴記者。
但隨著科技的不斷發(fā)展，在長度、質(zhì)量、電流、溫度、光度、物質(zhì)量7個(gè)基本國際單位中，其他6個(gè)基準(zhǔn)都發(fā)生了變化，如1米的長度已定義為等于光在真空中于1/2999792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)所前進(jìn)的距離，等等。只有質(zhì)量單位千克仍沿用實(shí)物基準(zhǔn)。
砝碼原器已出現(xiàn)一定誤差
“盡管這種實(shí)物基準(zhǔn)一般是用工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成，以保證其穩(wěn)定性。但是隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，這樣的傳統(tǒng)計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)開始反映出許多不足之處。實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使其特性發(fā)生緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變?！睆堢娙A說。“以鉑銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內(nèi)部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此種逐年積累的變化的準(zhǔn)確數(shù)量也很難確切查明?！?br />
據(jù)資料顯示，砝碼原器在歷經(jīng)100年之后，出現(xiàn)了一定的誤差，而分布在世界各地的原始砝碼復(fù)制品的重量如今也不盡相同；而在法國巴黎旺多姆廣場，由當(dāng)年法國國民大會的臨時(shí)機(jī)構(gòu)“度量衡局”安置的規(guī)定一米長度的大理石碑，在經(jīng)過200年風(fēng)雨洗禮后的1989年9月27日實(shí)長1.002米。
“最高等級的實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)全世界只有一個(gè)或一套，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭或其他原因發(fā)生意外損壞，就無法完全一模一樣地復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會因之中斷。量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜，從最高等級的實(shí)物基準(zhǔn)到具體應(yīng)用場所，量值要經(jīng)過多次傳遞，準(zhǔn)確度也必然會有所下降?！睆堢娙A說。
量子計(jì)量基準(zhǔn)成為救星
如何采用一種新型的計(jì)量基準(zhǔn)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物基準(zhǔn)砝碼原器，使一千克的重量更為精確目前已成為世界各國計(jì)量科學(xué)家的重要工作之一。隨著量子計(jì)量基準(zhǔn)的出現(xiàn)，為科技工作者提供了全新的途徑。
張鐘華表示，用量子現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)量值的計(jì)量基準(zhǔn)統(tǒng)稱為量子計(jì)量基準(zhǔn)，其有著下述明顯優(yōu)點(diǎn):量子計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度一般要比實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)高幾個(gè)數(shù)量級。量子計(jì)量基準(zhǔn)是一種物理實(shí)驗(yàn)裝置，可以多處建立。不會有一旦損壞不能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)的問題。按照相同原理建立的量子計(jì)量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的量值也相同，避免了計(jì)量基準(zhǔn)的量值多次逐級傳遞而造成的問題。
“量子計(jì)量基準(zhǔn)一旦取代實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)，計(jì)量科學(xué)將發(fā)生革命性變化。因此，量子計(jì)量基準(zhǔn)的研究被作為國際計(jì)量科學(xué)的最前沿、尖端課題?！?br />
量子計(jì)量基準(zhǔn)一出現(xiàn)就受到了廣泛的關(guān)注，發(fā)展極為迅速。第一個(gè)付諸使用的量子計(jì)量基準(zhǔn)是1960年國際計(jì)量大會通過采用的86Kr光波長度基準(zhǔn)。第二個(gè)量子計(jì)量基準(zhǔn)，也是最著名和最成功的，是1968年在國際上正式啟用的銫原子鐘，代替了原來用地球周期運(yùn)動導(dǎo)出的天文時(shí)間基準(zhǔn)，銫原子鐘在上億年中才可能出現(xiàn)一秒的誤差。
據(jù)張鐘華介紹，20世紀(jì)下半葉以來，電學(xué)的量子計(jì)量基準(zhǔn)得到了飛速發(fā)展。1962年，約瑟夫森效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，可把電壓與微波輻射頻率聯(lián)系起來，得到準(zhǔn)確度與頻率基準(zhǔn)相接近的量子電壓基準(zhǔn)，目前其準(zhǔn)確度已達(dá)到10-13。另一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)是1980年由德國科學(xué)家馮克里青發(fā)現(xiàn)的量子化霍爾效應(yīng)。利用此種效應(yīng)，可以建立一種準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的實(shí)物基準(zhǔn)的量子電阻基準(zhǔn)——量子化霍爾電阻基準(zhǔn)。同時(shí)對于溫度單位開爾文、物質(zhì)量的單位摩爾在利用量子計(jì)量方面都有不同的進(jìn)展。
攻克質(zhì)量實(shí)物基準(zhǔn)尚需時(shí)日
在量子領(lǐng)域取得的諸多進(jìn)展令世界各國的計(jì)量科學(xué)院為之振奮，如今各國的計(jì)量研究院正在努力攻克經(jīng)典計(jì)量學(xué)中的頑固堡壘——用某種量子計(jì)量基準(zhǔn)來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實(shí)物基準(zhǔn)。國際計(jì)量委員會已明確號召各國的計(jì)量科學(xué)家用各種各樣的方案來攻克量子質(zhì)量基準(zhǔn)這一難關(guān)。
“目前，對這一十分迫切的課題已提出了若干解決方案。例如，用高度提純的硅晶體中的硅原子質(zhì)量作為新的量子質(zhì)量基準(zhǔn)就是一種有希望的方法，其關(guān)鍵步驟是實(shí)際計(jì)數(shù)出硅晶體中原子的數(shù)目。這一方案經(jīng)多年探索，準(zhǔn)確度已達(dá)到3×10-8，但要進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度則遭遇到很大困難。還有一種辦法是利用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導(dǎo)出量子電功率量值，再經(jīng)過速度及重力測量后可導(dǎo)出質(zhì)量量值。從原則上說也算是一種量子質(zhì)量基準(zhǔn)。盡管這種方案構(gòu)思十分巧妙，但稍嫌復(fù)雜。意大利、新西蘭等國家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室也提出了自己的方案，但進(jìn)展不太順利?！睆堢娙A告訴記者。
面對國際上熱烈開展的前沿課題，我國也作出了積極響應(yīng)。
據(jù)張鐘華介紹，目前，中國計(jì)量科學(xué)研究院已經(jīng)開始在用高度提純的硅晶體中的硅原子質(zhì)量作為新的量子質(zhì)量基準(zhǔn)方面進(jìn)行探索。在硅球密度測量方面已經(jīng)取得了較好的成績。對于用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導(dǎo)出量子電功率基準(zhǔn)，再經(jīng)過速度及重力導(dǎo)出質(zhì)量量值的方案也已開始。
“我相信不久的將來質(zhì)量實(shí)物基準(zhǔn)會被很快取代，一千克的重量會越來越精確?！睆堢娙A說。
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