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文章编号 : 1000 - 1158 文章编号 : 1000 - 1158 (2001) 02 - 0133 - 09 更新计量基本单位kg 定义的研究现状 赵克功 (中国计量科学研究院 ,北京 100013) 摘要 : 在国际单位制中 ,质量的基本单位 kg 是以保存在巴黎国际计量局的千克原器定义的 。 现在 ,各国kg 基准的质量以平均每年约 0. 5μg 的增长率在变大 ,这种变化早已超过kg 国际比对的 精度 。从 20 世纪五十年代开始 ,科学家们对更新kg 的定义进行了深入的探索与大量的研究 ,有望 于 21 世纪初将会有所突破 ,得以利用基本物理常数或原子的物理特性来建立量子化的kg 新定义 。 本文简要介绍这些研究的现状和展望 。 关键词 : 阿伏伽德罗常数 ; 单晶硅晶体 ; 克分子质量 ; 原子量 ; 金原子 ; 磁悬浮 中图分类号 : TM932 文献标识码 : A 引言 1 计量基本单位是工业 、科技和社会发展的基础 ,自然科学的进步也有赖于计量基本单位的准确性 。 一切物理量与化学量都要溯源到计量基本单位上 ,由它导出的物理和化学量值 ,在所给出的精度范围内 应是准确无误的 ,不随时间 、地点等外部条件的改变而变化 。早在 1870 年 ,J . C. Maxwell 就指出 : 物理 量的计量基本单位不能以宏观量 (实物) 为基础 ,而应当以“永恒的和不变的粒子”物理特性为基础 。但 是 ,在今天广泛应用着的国际计量单位制中 ,计量基本单位的原始思想还是基于 1901 年 G. Giorgi 的建 议 。虽然 ,基于宏观量的原始思想的国际计量单位制在 20 世纪中对社会 、经济 、科技 、工业等各方面的 发展起了巨大的作用 ,但也随着科学与技术的进步更新了一些计量基本单位的定义 ,如长度 —[ 米 ] 、时 间 —[ 秒 ] 、电压 —[ 伏特 ]和电阻 —[ 欧姆 ] 等 ,都更新在以量子物理学为基础的基本物理常数上和原子 的物理特性上 。现在 ,在计量基本单位中只有质量的kg 还定义在实物基准上 。 kg 的定义是在 1887 年第一届国际计量大会上确定的 ,以巴黎国际计量局保存的千克原器 ( 铂铱 合金的圆柱体) 作为质量基本单位的国际基准 。质量基本单位kg 的定义是这样写的 “: 千克是质量单 位 ,它等于国际千克原器的质量 。”每个国家保有一个复制品 ,定期 ( 每 20 年) 送到巴黎国际计量局进行 比对 。 2 千克原器存在的问题 以千克原器作为质量计量基本单位kg 的实物基准存在以下原则性问题 : ( 1) 实物基准易损坏 ; (2) 实物千克基准量值随时间 、地点等外部条件的改变而变化 ,这个变化已远超过了kg 国际比对的不 确定度 。 1989 年在巴黎国际计量局举行了 20 世纪最后一次各国千克基准与国际千克原器的比对 。比对结 果 ,各国千克基准质量的平均增长率约为 0 . 5μgΠ年1 。如 ,瑞士的国家千克基准 (No . 38) 在 1946 年与 1989 年两次与国际千克原器比对的差值为 + 28 μg 。德国的国家千克基准 (No . 55) 与国际千克原器比 对结果为 1 kg + 0 . 252 mg , 其增长率也为 0 . 5μgΠ年 。我国国家千克基准 (No . 60) 的比对结果为 1 kg + 收稿日期 : 2000 - 02 - 18 ; 修回日期 : 2000 - 06 - 26 计量 学报2001 年 4 月1340 . 295 mg 。属于法国科学院的千克基准 计 量 学 报 2001 年 4 月 134 0 . 295 mg 。属于法国科学院的千克基准 (No . 34) ,从第二届国际千克基准比对之后就保存在密封的容 器中 ,再没有使用过 ,也没有动过 。它的质量值变化如下 : 1889 年 , 1 kg - 01073 mg ; 1950 年 , 1 kg - 01078 mg ; 1992 年 1 kg - 01051 mg 。该千克基准质量从 1950 年到 1992 年 42 年间相对国际千克原器质 量的变化为 + 0 . 027 mg 。另外 ,法国 R. Davis 从 1949 年至 1989 年对他们自己的千克基准进行长期实验 考核 ,结果是在这 40 年中其质量值相对增大了 6 ×10 - 7 2 。按上述事实人们可以提出怀疑 ,即国际千克 原器是否也在 100 年中变化了 50 μg (5 ×10 - 8 ) ? 这还不得而知 。 从上可以看出 ,当今的kg 实物基准自身质量随时间的变化已超过了国际比对的不确定度 ,满