世界科學(xué)家嘗試用自然常數(shù)標定質(zhì)量單位??千克 (2004-05-26)
發(fā)布時間:2007-12-04
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在計量長度、重量和容積的度量衡基準中,長度和容積早已實現(xiàn)用光速或原子振動等自然常數(shù)來標定,只有質(zhì)量單位千克仍然由有形物體(鉑金圓柱體)來標定。不過,到今年底或明年初,研究人員將可完成用電磁力方法重新定義質(zhì)量單位千克,同時還將研究采用原子計數(shù)的辦法來定義千克。
德國國家度量衡學(xué)研究所的研究人員貝克說:“千克是整個度量衡系統(tǒng)白色夾克衫上的黑污點”。幾十年來,全世界的研究人員一直試圖抹掉這一污點,采用的方法包括計算1000克物質(zhì)中的原子數(shù)目,以及將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成一種電磁力等。
據(jù)新出版的《科學(xué)》雜志報道,與自然常數(shù)不同,人工制成的千克基準會隨著時間推移而發(fā)生變化。盡管過去一個世紀以來,一直保存在巴黎國際度量衡局中的“千克-18”千克基準的變化不大,但這個千克圓柱體基準是1880年,在當(dāng)時工業(yè)污染很嚴重的倫敦鍛造出來的,由于污染物的影響,可能隨時間的推移正在喪失其質(zhì)量基準。同100年前相比,現(xiàn)在的大氣中含有更多的水銀,由于千克基準是由含鉑金的合金制成的,而鉑金會吸收水銀,這就使質(zhì)量基準的準確性不可避免地受到了影響。
英國國家物理實驗室的羅賓遜等人正采用“瓦特平衡法”定義千克,試圖將千克質(zhì)量同基本自然常數(shù)聯(lián)系在一起,其精度有望達到一億分之一。如果試驗獲得成功,他們將能按照長度、時間、引力和普朗克常數(shù),重新定義質(zhì)量單位。為了達到這一目的,他們設(shè)計出了極靈敏的儀器,實驗還被安排在建筑物內(nèi)沒有人工作的夜間進行。羅賓遜稱,他已將測量精度提高到一億分之一,但他對發(fā)表這一成果持謹慎態(tài)度,因為測量值幾周后發(fā)生了漂移。不過現(xiàn)在他已找到了問題的起因:測量必須完全在真空下完成,徹底消除空氣浮力的影響。
在美國國家標準技術(shù)研究院,利用“瓦特平衡法”來定義千克基準也獲得不錯的成果。1998年,斯特諾等人公布的結(jié)果精確到一千萬分之一。使用改進的儀器,他們也獲得一億分之幾的精度。瑞士也有一臺原型儀器投入試驗,另一臺儀器正在法國巴黎建造。羅賓遜說:“盡管這些儀器都采用同樣的機理,但美國的儀器和瑞士的儀器,在物理上是不同的。如果他們?nèi)吉毩⒌禺a(chǎn)生同樣的測量值,那將表明這種技術(shù)是有效的?!?
利用原子計數(shù)法來重新定義千克基準,則遇到較大的困難。這個方法比復(fù)雜的“瓦特平衡法”更為直觀,它只涉及到在已知質(zhì)量中,計量原子的數(shù)目。但單獨地計數(shù)到10的23次方個原子,花費的時間太長,因此人們正在設(shè)計靈巧的方法,以加速這一計數(shù)過程。目前在一項稱為“阿伏伽德羅”的國際合作計劃中,科學(xué)家正在計量0.012千克碳-12原子的總數(shù)。阿伏伽德羅計劃涉及到葡萄柚大小的超純單晶硅球。測量球的直徑和硅原子之間的間距,將精確地揭示它們包含多少個原子。問題是硅含有多種同位素,而測出各種同位素的比率十分困難。所以目前精度僅達到一千萬分之一。羅賓遜說:“使用各種方法重新定義千克基準的研究人員都不能單獨發(fā)表其測量成果,即使自己已經(jīng)首先獲得測量結(jié)果,也必須等其他人獲得相同的成果,才能證明自己的結(jié)果有效?!笨茖W(xué)家們認為,未來幾年將用“瓦特平衡法”來裁決。只有最終在“重量和測量大會”上通過這一測量值,才能采用這個千克新定義。