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国际千克原器正式退休,物理学中的符号及单位

时间:2019-09-06 05:12来源:科学研究
百年前标准已过时 科学家呼吁重新界定千克标准 科技日报实习记者 陆成宽 新豪天地登录网址,物理量及其单位的国际符号有些大写,有些小写,而且各种资料和试卷上的大小写不尽相

百年前标准已过时 科学家呼吁重新界定千克标准

科技日报实习记者 陆成宽

新豪天地登录网址,物理量及其单位的国际符号有些大写,有些小写,而且各种资料和试卷上的大小写不尽相同,现将初中所学到的符号及单位大小写情况总结如下: 常见物理量的国际符号: 大写的有:面积S、体积V、力F、重力G、功W、功率P、热量Q、电流强度I、电压U、电阻R等。 小写的有:长度l、质量m、时间t、速度v、密度ρ、压强p、比热c等。 常见单位的国际符号: 其中源于人名的单位应大写。如:牛顿N、帕斯卡Pa、焦耳J、瓦特W、库仑C、安培A、伏特V、欧姆Ω、摄氏度℃等。 其它单位应小写。如:米m、秒s、克g、吨t等,千米km、分米dm、厘米cm、毫米mm、微米μm、纳米nm等等。 七个国际基本单位以及它们的由来: 国际单位制的SI基本单位为米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉 米:米是光在真空中于1/299792458s时间间隔内所经路径的长度.在1960年国际计量大会上,确定以上定义的同时,宣布废除1889年生效的以铂铱国际米原器为标准的米定义. 千克:国际千克原器的质量为1kg.国际千克原器是1889年第一届国际权度大会批准制造的.它是一个高度和直径均为39mm的,用铂铱合金制成的圆柱体.原型保存在巴黎国际计量局. 秒:铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间为1s.起初,人们把一昼夜划分为24h,1h为60min,1min为60s.但一昼夜的周期,即太阳日是变动的,所以定义1s等于平均太阳日.后来又发现,地球公转周期也是变动的,于是又需确定另外的定义.随着科学技术的发展,科学家们发现,原子能级跃迁时,吸收或发射一定频率的电磁波,其频率非常稳定.于是在1967年第十三届国际计量大会上确认了上述定义. 安培:在两条置于真空中的,相互平行,相距1米的无限长而圆截面可以忽略的导线中,通以强度相同的恒定电流,若导线每米长所受的力为2×10-7N,则导线中的电流强度为1A.1948年国际度量衡委员会第九次会议作了这样的规定.1960年10月,第十一届国际权度大会上确认为国际单位制中的七种基本单位之一. 开尔文:水的三相点热力学温度的为1K.该单位是以英国物理学家开尔文的名字命名的."开尔文"的温度间隔与"摄氏度"的温度间隔相等.但开氏温标的零度,是摄氏温标的零下273度.1968年国际计量大会决定把"开尔文"作为七个基本单位之一. 摩尔:简称摩,摩尔是一系统的物质的量,该系统中所包含的基本单元数与0.012kg12C的原子数目相等.使用摩尔时,基本单元应予指明,可以是原子,分子,离子,电子及其他粒子,或这些粒子的特定组合.摩尔拉丁文的原意是大量和堆量.它是用宏观的量来量度微观粒子的一个单位.1971年第十四届国际计量大会通过了对摩尔的定义.我国1977年国务院公布了介绍摩尔的文件,同时取消克原子,克分子,克分子浓度,克分子体积等概念. 坎德拉:简称坎,一个光源在给定方向上的发光强度.该光源发出的频率为540×1012赫兹的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为瓦特每球面度.

国际单位制是全球统一认可的现代测量体系,其中 7 个被严格定义的基本单位分别为:长度、时间、热力学温度、物质的量和发光强度。它们也是人们在日常生活中经常用会到的测量单位。但是,这些单位的标准又是谁来决定的?是谁决定了我的质量是 50 千克,而非 40 千克呢?

据“每日科学”网站报道,包括美国桑迪亚国家实验室科学家在内的许多国际学者们近日呼吁,鉴于千克质量有所下降,现今国际对千克的界定只是一个伪标准,应基于普适常量的标准来重新定义千克。

一千克究竟有多重?这个看似简单的问题,科学家却探索了百年。

在过去的 130 年里,这个问题的答案是法国巴黎国际计量局内的一根铂铱合金圆柱体,直到现在。

国际千克原型于1889年使用铂铱合金浇铸而成,形状为圆柱体,严密地保管在位于巴黎的国际计量局里。该标准物一直担任着校正各国质量标准的任务,大到各国的千克原型复制品,小到实验室的天平,质量标准都应与其吻合。但再坚固的人造物品也存在消耗与磨损,基本单位的准确性会受到影响,且随着时间的推移误差越来越大。对于长度单位“米”,现已放弃铂铱合金的米尺,改由恒定不变的光速来定义;而时间单位“秒”则以铯原子的裂变规律来定义。在国际基本单位中,只剩千克还停留在100多年前的旧标准上。

去年11月16日,来自60多个国家的计量科学家汇聚在法国凡尔赛,共同见证对“修订国际单位制”的1号决议进行的表决,7个基本单位中的4个改由物理常数重新定义。新国际单位体系于2019年国际计量日起正式生效。这是1875年《米制公约》签署以来,国际测量体系面临的最重大变革,对科技创新、产业发展影响深远。

根据国际计量大会的决定,从 2019 年 5 月 20 日起,作为最后一个由人工制品定义的单位,千克将与安培、开尔文和摩尔一同与基本物理常数联系起来。

科学家表示,对千克的再界定应建立在物理常量上,瓦特平衡法是目前为止最精准的,能避免能量损耗,但其计量结果与原子计数实验存在一定矛盾,仍有一些问题需加以证实和解决。科学家同样表示新旧定义之间需要一个过渡阶段,对于经济、军事等领域来讲,一个稳定不变的质量标准固然方便。从长远来考虑,一个精确的标准才是我们所需要的。

修订后基本单位量值更稳定

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图 | 过去 130 年中的标准千克:国际千克原器,又称“大 K”

以国际千克原器为基准的校准装置

基本单位的变迁

“这次单位修正,共涉及4个基本单位。质量单位千克将采用普朗克常数定义,电流单位安培将采用基本电荷量定义,物质的量单位摩尔将采用阿佛加德罗常数定义,温度单位开尔文将采用玻尔兹曼常数定义。用这些不变的参考基准作为测量的基础,意味着这些单位的定义在未来是可靠、不变的。”李世松告诉记者。

在过去的 130 年里,这根存放在巴黎郊区的铂铱合金圆柱体为全世界的科研工作者提供了一个统一的质量标准,也因此极大地推动了各个学科的发展。毕竟,在各种高精度试验里,古人所说的”失之毫厘,谬以千里”真是一点也不夸张。而经过统一校准的测量设备却可以让人们精确地复制他人的试验,确保科学发现的再现性。

启蒙时代起,测量界就致力于建立一个寰宇通用的测量系统。用实物作为测量基准虽然是一个可行的方式,但因为实物很容易受到人为或环境因素的损坏,稳定性会受到影响,测量界一直想要尽早摒弃这种方式。

可是,随着时间的推移和一次次的校准工作,这根圆柱的重量难免因磨损而发生了细微变化。共损失了约 50 微克的重量。不要小瞧这 50 微克的重量,虽然微乎其微,但易变的人工制品显然已无法满足现代精密的测量要求。

同时,随着高精尖科技的发展,我们也需要更稳定、准确的测量。于是,用物理常数重新定义国际基本单位的方案被提了出来。用常数的方式定义测量单位意味着这些定义将适应下一代科学发现的需要。

早在之前,除千克以外的其它基本单位,例如长度,就已经由自然常数定义了。

本次国际单位制的修订将使所有的基本单位都建立在我们描述自然界所用的基本物理常数上。由这些自然常数组成寰宇通用的测量基础,将使科学界、工业界和人类社会拥有一个更加可靠、一致、全范围(大至很大,小至很小)的测量系统。

其中,长度的单位“米”,最初定义是从北极至赤道经过巴黎的子午线长度的一千万分之一。但由于这段距离并非常数,米被重新定义,与一个自然常数——光速挂钩,为光在真空中每 1?299792458 秒内行驶的距离。

据了解,质量单位千克的现行定义是一块保存在国际计量局的铂铱合金圆柱体——“国际千克原器”的质量;电流单位安培的现行定义是一恒定电流,若它保持在处于真空中相距1米的两根无限长而横截面大小可被忽略的平行直导线内,则这两根导线之间产生的力在每米长度上等于2×10-7牛顿;物质的量单位摩尔的现行定义是所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等;而温度单位开尔文的现行定义则等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

另一边的时间单位“秒”,原先是一天时长的 86400 分之一。同样,因为地球自转的周期并非绝对,现在已被定义为”铯-133 原子基态下,两个超精细能级之间跃迁对应辐射周期的 9192631770 倍”时间。

李世松表示,这次国际单位制修订的主要目的,是消除现行定义中所使用的实物基准随时间、地点、环境产生的未知漂移,建立一套与基本物理常数挂钩,适用于自然界基本物理定律的,对相应量值的复现不受时间、地点、环境约束的国际单位新体制。

如今,我们将使用普朗克常数为新标准,重新定义“千克”。

国际千克原器发生50微克漂移

新的“千克”

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首先,什么是普朗克常数?

由于质量单位千克是目前唯一还在使用实物基准定义的基本单位,因此科技日报记者独家采访了中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所副所长王健研究员,请他详细介绍有关质量单位千克的定义的来龙去脉。

它是量子力学中计算光子能量的常数,代表能量子与辐射电磁波之间的关系。数值为6.62607015x10-34,单位是焦尔?秒,也可写成千克?米2?秒?1。

王健介绍,早在1799年,科学家们就发现水在4摄氏度时的密度最为稳定,因此将4摄氏度时1立方分米水的质量定义为1千克。然而,由于以水为标准的质量既不方便又不稳定,1889年,千克又被批准由一块采用工业革命技术打造的铂铱合金圆柱体来定义,其中铂含量为90%,铱含量为10%,铂铱合金满足了千克原器稳定性和耐腐蚀性要求。

我们可以发现,根据以上的单位转换,千克与普朗克常数产生了关联,所以我们也就能够通过该常数和两个基本单位——米和秒来定义千克。

千克用千克原器定义后,千克原器就被保存在国际计量局,用三层玻璃钟罩保护,最外一层抽成半真空,以防止空气和杂质进入。在为科技界服役的130年内,为保证千克原器的绝对安全,原器被保存在国际计量局的一个保险箱内,保险箱必须由三把钥匙同时打开。这三把钥匙分别保存在国际计量局局长、国际计量委员会主席和法国国家档案馆馆长手中。

根据公式计算,一千克的质量等于1.4755214x1040个具有铯-133 原子共振频率的光子所具有的质量。

千克采用国际千克原器定义后,有个问题计量学家们十分关心:这样的定义到底有多稳定?会随着时间的推移发生漂移吗?

对此,麻省理工学院的物理学教授 Wolfgang Ketterle 表示,此次对千克的定义转变是具有历史意义的,这意味着今后世界各地的科学家和工程师,甚至是外星人,都能精确匹配出相同的“一千克”。

应该说,这个问题在定义质量单位千克之初就被提了出来,例证是,在1889年进行千克定义时,国际计量局就制作了7个铂铱合金千克砝码,其中的一个,即国际千克原器,用于质量单位千克的定义,而其他6个采用同种材料、同种工艺制作的砝码,则作为副基准,用于检查彼此之间是否存在随时间变化的漂移。

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“根据国际计量局的官方数据,在1889—2014年的100多年间,其他千克原器与国际千克原器在质量一致性上发生了约50微克的变化。这表明质量单位的实物基准的稳定性存在问题,虽然50微克的变化听起来很小,但对一些高精尖产业来讲影响却很大。”王健说。

图 | 一千克的传统定义与新定义(来源:Alan Jamison, MIT)

他表示,如果使用基本物理常数取代千克实物基准,质量单位的稳定性就不会受到空间和时间的影响。因此,国际计量委员会于2005年起草了关于采用基本物理常数定义部分国际单位制基本单位的框架草案,建议采用普朗克常数定义质量单位千克,并鼓励有能力的国家级实验室开展相关科研工作。

既然有了全新的定义,千克的测量方法也有所改变。

“在重新定义千克的过程中最关键的是普朗克常数的精密测量,现在测量的精准度已经达到了重新定义质量单位千克的要求。”王健强调。

理论上来讲,研究人员可通过反射将光子汇聚在光学腔内,从而测量出定量光子的质量。但是,有谁能精准的数出1040(1 后面 40 个零)个光子呢?

国际单位制溯源体系彻底改变

就像没有人会用 1 分钱的硬币去数出 1000 万元一样,科学家们有办法把单个光子的“1 分”硬币换成更容易数的“100 元”大钞。

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目前已有两种可用于高精度质量测量的方法:利用电流产生磁反作用力来测量质量的Kibble 平衡,和可以得出阿伏加德罗常数的超高纯度单晶硅球。这两种技术都是现在世界各地实验室使用的标准技术。

在李世松看来,本次国际单位制基本单位的重新定义,是一个具有里程碑意义的事件。“这是我们人类在基本单位体系中首次彻底摆脱了实物基准,将所有基本单位的定义推向‘量子化’的关键一步。”李世松说。

未来,光子的计算和频率测量技术还会不断提高,人们对质量的测量只会越来越精确,再也不用依赖一块人工合金制品了。

本次国际单位制修订,从表面而言,人们并不会看到太大变化。这好比你给房子换了一个更坚固的地基,从表面上是不可能看到任何变化的,但它可能已经发生了实质性的变化,使房子变得更耐久了。

可以说,这套于 5 月 20 日实施的全新国际单位制定义,标志着人类舍弃传统定义,向宇宙标准看齐的历史变革。

李世松认为,本次基本单位修订最重要的影响在于使国际计量体系以及未来的检定和校准工作等发生改变。基于自然物理常数定义的国际单位制基本单位本征具有的开放性,将允许任何实验室或个人建立直接进行国际单位制溯源的测量和校准装置。

-End-

“在国家层面,我们如果能建立我国自己的基本单位复现装置,就不用再定期到国际计量局去进行校准。在区域层面,我们国家如果能建立起国际公认的高准确性基本单位的复现装置,就能够为其他国家提供校准服务。”李世松说,“而对国际计量局而言,未来最重要的使命,除了发展自己的基本单位量值复现装置外,还会更加注重组织不同国家参与的国际比对,以确保国际单位制基本单位量值在全世界范围内具有一致性。”

责编:陈翔宇

“国际单位制基本单位重新定义以后,量子基准将取代实物基准,基本单位可实现独立复现、不再依赖于国际计量局。这将彻底改变世界计量格局——未来,国际计量局将不再是世界量值的唯一源头,主要发达国家和新兴发展中国家计量院将成为国际计量‘多中心’格局的主体。”国际计量委员会委员、中国计量科学研究院党委书记兼副院长段宇宁表示。

参考:

编辑:科学研究 本文来源:国际千克原器正式退休,物理学中的符号及单位

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