PDF《第1章引言》

第1章引言1.

1 质量量子基准研究的意义 1.1.1 质量量子基准研究是建立基本物理常数为基础的 SI 新 体制的需要 计量基准是量值溯源的最终依据,它对于保证测量结果的准确性 有着无法替代的重要作用 [1] .从1960 年米制公约建立开始,国际单位 制(SI)已经发展成为世界上使用最为广泛的单位制,其准确性是由七个 SI 基本单位即千克(kg) 、 米(m) 、 秒(s) 、 安培(A) 、 摩尔(mol) 、 开尔 文(K) 、 坎德拉 (cd) 的准确保存和复现来保证的. 七个 SI 基本单位虽然 可导出其他所有的非基本单位, 但它们的定义并不是相互独立的, 而是彼 此间存在一定的关联性[2] .图1.1 中的内圈揭示了七个 SI 基本单位定义 之间的联系. 图1.1 SI 基本单位的联系(内圈) 和基于物理常数的 SI 单位制新定义框架(外圈)

2 质量量子基准新方案 ―― 测量惯性质量的摆动周期法研究 从图 1.1 可以看出, 安培、 摩尔和坎德拉的定义, 是与秒、 米、 千克相 关联的.例如,电流单位安培的定义为 在真空中,两根相距 1m 的无限 长、 截面积可以忽略的平行圆直导线内通过等量恒定电流, 若这两根导线 间相互作用力在每米长度上为

2 * 10?7 N,则每根导线中的电流为 1A . 显然,在定义安培时用到了牛顿,而牛顿可表示为基本单位千克、米、秒 的组合.众所周知,秒用

133 Cs 原子的能级跃迁周期来定义,以原子钟复 现其定义的准确性优于 10?16 量级[3,4] ;

米的定义与真空光速 c0 相联系, 其复现准确性也在 10?11 量级 [5] ;

而质量单位千克,是最后一个仍然以 实物作为基准的 SI 基本单位[6] , 其定义为 国际千克原器(international prototype of kilogram, IPK)的质量 . 国际千克原器制作于

19 世纪,采用化学性质稳定的铂铱合金(90% 铂加 10%铱)制作而成,其在制作之初被评估出的相对不确定度为 10?9 量级,曾被认为是最精确的计量标准之一.但使用实物作基准 的最大问题是,其量值因受外界环境多种因素的影响会随时间的推移 而发生未知的漂移.例如,国际千克原器表面吸附的一些肉眼无法察 觉的气体分子和其他杂物,以及多年使用中形成的磨损及划痕等,均 会使其质量发生变化.国际计量局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)1889 年制作出国际千克原器时,还制作了

6 个千克副 原器(编号:K

1、

7、8(41)、

32、

43、47) ,以用于监督国际千克原器的稳 定性.每隔约

50 年,国际计量局会组织各个国家的计量院,进行国际千 克原器和千克副原器的比对实验.到目前为止, 这样的比对实验已经进行 了4次, 比对结果如图 1.2 所示[7,8] . 从图 1.2 所示的比对结果可见, 国际千克原器与千克副原器以每年约

5 * 10?10 g/g 的速度发生偏离,即在

1889 年至

2014 年这

100 余年的时 间里,国际千克原器与千克副原器之间的量值差已经达到了 50?g.需要 特别强调的是,图1.2 的比对数据是以国际千克原器的质量作为参考的, 而实际更可能的情况是,国际千克原器与千克副原器的质量都在发生相 同方向(增大或减小)的漂移.但由于缺乏检测手段,其质量的绝对漂移 量无人可知. 国际千克原器的量值随时间发生未知的漂移,SI 基本单位千克将不 能很好地被保存和复现.由此造成的千克量值的不确定性,将会通过 SI 第1章引言