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“计量”的尖端--国际千克原器

148    2020-09-16    发布者:中国测试杂志社    来源:知乎

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“千克”的定义

首先看目前(旧的)的定义:

从1889年以来,“千克”是用一个金属来定义的,叫“国际千克原器”,又被称为“一千克标准物”(简称大K),是指1889年经国际计量大会批准,作为千克单位标准物的砝码。该砝码由具有较强抗氧化性的Pt-10Ir铂铱合金(90%铂与10%铱)制成,直径与高度均为39.00毫米,现在同六个复制品一道被保存在法国巴黎的国际计量局总部,另有官方复制品被送往世界各国。

国际千克原器

吃瓜群众要说了,一个铁旮瘩有什么黑科技。这种旮瘩我国原来有两个,是早年花高价(航母的说法被人喷脏话,这样,这个东西当时无价!满意了吧?)跟国外买来作为国家的质量基准。

这个金属旮瘩保存在地下隔离间,并需要定期清洗维护,在变态的管控条件下,通过机械臂进行。原来保存过质量基准的那个房间多年前已废弃,本人见过,里里外外三层,人只能在外面操作。有一次在维护过程中,这个旮瘩从机械臂上滑落,跌在毛毡上,然后,这个基准就基本废了。为啥呢?因为这一次不大的撞击,导致金属旮瘩轻微变形,改变了空气浮力大小。因为有了未知量的改变,就不能作为原器,它的量值只能由别的原器来定义,降级使用,价值也不在原来一个级别。

这里补充下,有人质疑摔一下是否能产生这么大误差,我国质量基准总的量值不确定度2.3微克,不到0.002ml的空气质量,对于硬度不大的金属,磕碰是会造成这个量级的体积变化的。最主要的是,这个东西是定义千克的,你有了“未知”大小的变化,那就不能作为基准。以下是本人查到的国外原器摔坏记录:“我先提到过的关于国外原器摔坏的文献记载,目前只能找到国内转述的,引自《现代物理知识》1994年S1期,作者:沈慧君,管寿沧,陈鸿林.举一个例子来说明千克原器使用时的麻烦.国际千克原器有几个“兄弟”,被称为工作原器.1905年第1号工作原器在一次称重时出了事故,大概是不小心碰了一下,就立即决定废弃.国际计量局有一台特制的Bunge精密天平,1949-1951年间曾两次在使用过程中让工作原器摔了下来,这两个工作原器的命运自不待言,从此也没有人再敢用这台天平作比对称衡了。

【很多人对千克定义的理解还是中学课本上一升水的质量。这里做个科普,想了解的直接拉到最后,看千克定义的发展。】

下面说下最近新的“千克”定义:

新的国际标准将根据普朗克常数重新定义千克。普朗克常数包含能量和时间单位,运用质能方程E = mc2就可以用质量来表示它。像万有引力常数G一样,普朗克常数虽源自理论,但其数值只能通过实验来确定,而且随着仪器的不断改进,我们对自然常数测量精度也在不断提高。

为了完成向量子标准的转变,国际度量衡局采取了两步走的战略。首先,5个国家的国家计量实验室会确定普朗克常数的一个准确数值,并以该数值为单位测量各自国家的千克原器,比较测量结果。如果得到的结果令人满意,实验参与者将逆向操作,用各自国家的千克原器对普朗克常数的测量进行精细调节,所得新的普朗克常数将最终用于重新定义千克。

上述大部分工作都需要使用一种名为基布尔秤(Kibble balance)的极为复杂的装置。基布尔秤此前又被称为瓦特秤(Watt balance),为了纪念2016年去世的该装置的发明者——英国物理学家布赖恩·基布尔(Bryan Kibble),计量学家决定重新为其命名。 基布尔秤实验非常难做,以至于2012年 《自然》 (Nature)将其列为物理学界正在进行的最困难的五个实验之一,位列寻找希格斯玻色子和探测引力波之后。

美国国家标准技术研究所编号为NIST-4的基布尔秤

从1千克质量出发,基布尔秤最终可以确定一个普朗克常数。有了这个准确的普朗克常数,就可以用基布尔秤来称量质量,无需再借助任何物理实体。

为了获得精确的测量结果,需要考虑当地气压和引力的波动。地轴进动和潮汐的影响也必须考虑进来。如果你忽略潮汐的影响,就会产生大约百万分之0.1的误差。

关于计量领域其他几个基本单位:

米的定义——光在1/299 792 458秒内传播的距离(1983年米还是由一根铂-铱合金棒上两条刻度线的间距来定义)。

秒的定义——铯原子发出的微波辐射的某个特定频率为基准(原来秒是按照一天的若干分之一来定义的,但地球自转速度有变化)。

按照计划,摩尔、开尔文和安培的定义也都将于2018年进行全面修订。

—————千克定义的发展——————

1795年4月7日,克在法国被规定为相等于“容量相等于边长为百分之一米的立方体的水于冰熔温度时的绝对重量”。由于商贸一般涉及的质量远比一克大,又由于以水为标准的质量既不方便又不稳定,所以为了商业法规必需制造出质量水定义的实化仪。于是,人们制造了一个临时的质量标准:一块金属人工制品,质量为克的一千倍。

同时,准确判定一立方分米(一升)的水质量的工作也展开了。虽然千克定义规定的水温0 °C是非常稳定的温度点,但是科学家们经过多年的研究决定于1799年在定义中改用水最稳定的密度点,也就是水达到最大密度时的温度,当时的量度结果为4 °C他们断定在最大密度时一立方分米的水相等于4年前临时千克标准目标质量的99.9265%。同年,也就是1799年,人们制造出一块纯白金的原器,其目标就是原器质量会相等于(当时科学上许可地尽量接近)4°C时一立方分米的水。该原器于六月被呈上国家档案局,并于1799年12月被正式定为“档案局千克”(Kilogramme des Archives),而一千克的定义就相等于其质量。这个标准维持了九十年。

自1889年起,国际单位制将千克的大小定义为跟国际千克原器(在专业度量衡学中很多时候会把它缩写为“IPK”)的质量相等。IPK由一种铂合金制成,这种合金叫“90Pt10Ir”,即90%铂及10%铱(按质量比);然后把这种合金用机器造成39.17mm的直立圆柱体(高度=直径),这样做可以把表面积减至最低。比起纯铂的档案局千克,新加进去的10%铱改善了硬度,但同时保留铂的许多长处:对氧化的高度抵抗性、极高密度、良好的导电与导热性以及低磁化率。IPK与其六件姐妹复制品都被存放在国际计量局(BIPM)位于巴黎郊区的总部下层的储藏室内,有环境监控的保险箱里,开启保险箱需要三条被分开保管的钥匙。



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