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当“公斤”被科学家重新定义……

上网日期: 2015年03月26日 ?? 作者: Christoph Hammerschmidt ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:工程设计? 工程研究? 工程技术?

多年来,世界各地的科学家一直在思考如何为“公斤”(kilogram)定义新的标准,使其得以避免目前采用铂铱合金制成圆柱体的“公斤”标准面临逐渐老化与误差的情形。德国国家计量研究院(PTB)最近声称找到了新的“公斤”标准测量途径。

在追寻以定义建立真正定的标准时,国际度量衡大会(CGPM)支持以建立自然常数参考的方式来定义四项基本实体量——这四项常数是安培(Ampere)、摩尔(Mol)、开尔文(Kelvin)和千克(Kg)。原因在于现有的定义可能会随着时间演进而发生改变——所有的物理与化学过程都将随时间起变化,目前存放在法国巴黎国际度量衡局的国际公斤原器(IPK)也不例外。

PTB 全新定义的“公斤”标准将基于阿伏加德罗(Avogadro)常数与普朗克(Planck)常数。为了在复杂的制造和分析链中确定这两项常数,科学家必须在 硅球体中计算存在的原子数。该球体的形状极具精确度——一个“理想的”几何球形偏差必须小于100nm。PTB的科学家们能够以三个原子直径的精确度来测 量这种球体的直径,他们利用超高压的反射率计以1nm的精确度来确定表面的氧化层厚度。

对于所采用的材料纯度也有非常高的要求,目前主要由俄罗斯Zelenogorsk的电化工厂供应这种材料。这种多晶硅材料属于稳定的硅28(silicon-28)同位素,可表现出比其他硅 同位素物质更高99.998%的纯净度。PTB的研究人员们在大型的硅28晶体中产生了两个球体。在未来几个月中,柏林莱布尼茨学会(Leibniz Institute)还可在相同材料中取得6公斤的晶体。透过该晶体,柏林的科学家们可望为PTB制作出具有极纯内部结构的单晶体。

最后,PTB将拥有可为4个球体进行配置的材料。这四个球形晶体可让研究人员们扣除球体质量与原子质量的组合:测量其硅球体的质量与体积,以及晶体中的原子 排序与三种现有同位素的影响——使其得以扣除阿伏伽德罗常数与普朗克)常数。研究人员们还能精确地计算原子数,在1亿个原子数的误差仅2(原子)。

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至 于“公斤”的定义,理论上已足以确定阿伏伽德罗常数了。不过,研究人员们们希望质量的定义也能符合电子测量领域的需要,因此,他们目前正忙着藉由电子的电荷 值来重新定义“安培”。由于阿伏伽德罗常数与普朗克常数二者相关,国际科学家社群赞成利用这些常数来定义“安培”与“公斤”。

这些研究的目标在于追求一个不至于随时间变化的可复制标准。然而,新的“公斤”定义要成立的条件必须经由至少两种科学方法的验证,以及3位科学家以足够的准 确度独立进行实验并取得相同的普朗克常数定义结果。PTB的研究方法采用硅28球体虽然确定了这一常数,但也只是达成该目标的可行方法之一。

此外,瑞士、美国、加拿大和法国的科学家们也试图采用不同的方法——他们利用瓦特天平(Watt balance)来确定普朗克常数,使其得以透过测量电流与电压的方式,精确地确定待测物的重量。

目前,这两种方式都取得了相当的进展;因此,科学界有信心可在2018年以前定义全新的“公斤”标准。

翻译:Susan Hong

本文授权翻译自EE TIMES,谢绝转载







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