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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:次

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。