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1千克和1米是如何定义的

时间:2020-12-28 来源:计量校准 点击:

1千克和1米是如何定义的
 
秦统一前,中国古代有多种计量标准。秦朝灭六国后,秦始皇意识到统一计量标准的重要性,于是开始设置一些标准计量。1973年出土的秦权是当时衡量质量的国家标准。
在欧洲早期,人们用身体的某个部位来定义测量单位。例如,他们的脚是由脚的长度来定义的。我们可以看到脚的英文和脚的英文是一样的。但是每个人的脚的长度是不同的,所以他们可能会选择国王的脚作为标准。工业革命开始后,由于社会发展的需要,对测量标准提出了更高的要求。在18世纪,科学家将子午线的4万个点定义为1米的长度测量标准,他们还将1升水在4摄氏度定义为1千克。与过去相比,这些测量标准有了很大的改进,为科学的发展做出了很大的贡献,但计量校准这还远远不够。
19世纪中期,机械制造业的发展和国际贸易的需求要求更精确的测量标准。用经络和水来定义长度和质量不仅不够准确,而且单位值也不容易复制。所以为了保证各国单位的一致性,1875年成立了国际计量公约,成立了国际计量局。国际计量局已经制定了两个著名的物理标准:一个是“大米原始设备”,另一个是"千克原器"。
原米是一把铂铱合金直尺,横截面为X形,上面两个刻度之间的长度定义为1米。千克原器是铂铱合金圆柱体,质量定义为1kg。这两个物件都是用当时最好的材料和工艺做成的,稳定性相当好。只要各国将自己的标准数量与它们进行比较,它们就可以将自己的单位转换为国际公制标准。
这种以实物为标准的做法,100年来发挥了重要作用。然而,进入20世纪后,工业和科学技术的快速发展对测量标准提出了更高的要求。现有的物理标准已经不能满足要求,有三个缺点。
第一,这样一个标准对象做出来之后,总会有一些不可控的因素。比如一些物理化学过程使其特性变化缓慢,所以其保存的价值也会发生变化。而且这个变化很慢,很难准确的找出来。第二,只有一个或者一套测量标准。一旦天灾人祸造成其损失,很难准确复制同一事物,因此原有的计量值会被中断。第三,值的传递非常复杂,标准对象传递到现实生活中的应用场景时,此时的准确性会大大降低。
测量标准
因此,科学家们希望建立一个与宏观参数无关的标准,如形状和尺寸,它可以消除各种宏观参数引起的不稳定漂移。更重要的是,它可以在任何时间、任何地点复制,不像物理标准一旦被破坏,就再也无法准确还原。因此,量子测量标准应运而生。
第一个量子测量标准是国际计量局1960年采用的Kr原子光波长度标准。其原理是利用Kr原子两个特定能级之间的量子跃迁产生的光波波长作为长度标准,精度可以达到10-9的数量级。之后,由于激光技术的发展,制成了一系列稳定的激光器。1983年,基于激光波长的长度标准取代了Kr原子的光波长度标准,其精度可达10-15个数量级。
争取质量标准的过程相当漫长。多国联合科学家团队曾提出用硅原子的数量作为质量标准。原理是这样的:他们先用硅单晶做一个直径10厘米的标准球体,然后用X射线测量晶体常数,最后通过分析计算出硅原子的数目,这样我们就知道了1公斤硅中含有多少硅原子。
然而,这样做有一些困难。实际的硅晶体并不完美,内部会有空位、空穴等缺陷,导致原子序数测量不准确。其表面的氧化层也造成了一些质量误差。硅有三种同位素:28、29和30,不可能精确测量它们的丰度。因此,使用该方案的不确定度达到10-7量级,低于实际标准精度。
另一种很有前途的建立量子质量标准的方法是“瓦特平衡法”,它最初是为了统一机械能和电能而提出的。天平的一边是重物,另一边是磁场和动圈。当动圈上的力与重物的重量平衡时,我们可以用这个定义质量。后来经过一系列的发展,科学家们已经能够用瓦特平衡法精确测量普朗克常数h。
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