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质量标准换个“球”?

2008-09-21新京报本文被阅读过11402次[推荐][打印][保存][大字体][中字体][小字体]

 
  这个“最圆的球”很有可能会成为新的国际千克原器。


美国科学家制作的瓦特平衡装置。


 现在使用的国际千克原器对保存条件的要求非常严格。

  一组欧洲科学家制成了“最完美的球”。这个球有望取代铂铱合金柱,成为新的“国际千克原器”,充当质量单位的依据。

  近日,一群科学家拿出了一个号称“世界上最圆最完美”的球。这个球体确实无比光滑美丽,但它并不是工艺品。它在未来可能会在科学研究中具有举足轻重的意义,因为它有可能成为质量的国际单位“千克”的全球新标准。为什么要确立千克的新标准,为什么要把这个球做得这么圆?这说起来是个很“缠”的故事,缠来缠去都要缠到1889年造的一个圆柱体。

  1变迁过程

  来之不易的“老圆柱”

  1795年,1克被定义成1立方厘米水的重量,因为用水作为质量标准既不方便也不准确,制造更加实用化的质量标准器具成为必需,这一年旷日持久的千克标准确立工作开始了。

  最初,科学家认为0摄氏度时的水最稳定,但后来他们发现水在密度最高时质量最稳定。经过测定,在1个大气压下,4摄氏度的水密度最高。1799年,“水做的”国际千克原器被公布。

  1889年,现在仍在使用的国际千克原器(IPK)终于被公布。这个千克原器是一个直径和高度都是39.17毫米的金属圆柱体,用90%的铂和10%的铱制成。选用铂为主要材料是因为它有很多优点:它抗氧化的能力非常强,这样不会吸收空气中的氧,使得自身重量发生变化;它的密度很大,这样可以减小原器的表面积,以减少组成物质发生化学反应的可能。它有着很强的导电性和导热性,并且很不容易被磁化,这些都有利于减少不稳定因素。而金属铱的添加则可以大大增加铂的硬度,而对铂的优点损害很小。

  科学家们制作了6个IPK,全都放在巴黎郊外的国际计量局(BIPM)总部里。中国计量科学院首席研究员张钟华说,该局还制作了几十个IPK的复制品,发往各个国家,中国拥有其中的两个。

  2提高要求

  不断漂移的质量

  问题是,IPK的质量会随着时间改变。张钟华说,在上世纪40年代和上世纪80年代,国际计量局曾经两次召回各国的IPK复制品进行比对,结果发现彼此都有偏差。国际计量局认为这个偏差应当保持在5×10-8千克之内,但是有的复制品的偏差已经达到了10-7的量级。更糟的是,科学家也搞不清随着时间的推移,IPK的质量是应该增加还是减少。因为空气的氧化作用使它们增重,而称重操作则会造成磨损,减少质量。因为样本太少,统计学方法也不好用。科学家们也迷惑了。

  用一个不停变化的东西作为标准总不是个事。而且,很多物理量都和质量息息相关。比如力学单位“牛顿”的定义就是,1牛顿可以让1千克的物体获得1米/平方秒加速度的力。IPK的不准确会引发连锁反应。

  现在,物理学的另外两个基本单位,时间单位“秒”和长度单位“米”已经有了基于电子技术的标准定义。1967年,1秒被定义为“133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”;而在1983年,1米被定义为“光在真空中1/299792458秒的时间内所通过的距离”。这两个单位的标准值在可预知的时间内不会改变。只有“千克”还在用一个实体做标准。正如张钟华所说:“你这个‘千克’还要靠一个‘疙瘩’做标准,自己不准确不说,还拖了整个计量的后腿,‘一粒老鼠屎,坏了一锅汤’。大家都很着急”。

  穷则思变,研制新的IPK就成了世界范围内的热门项目。

  3制作过程

  硅球为啥这么圆

  在各种IPK试制项目中,德、意、日、比、澳等国联合进行的“阿佛伽德罗计划”是最有希望最终问鼎的计划之一,它的目标就是制作一个“最完美的硅球”。

  这个球由99.99%纯度的“硅28”制成。选择硅作为材料是因为这种元素的化学性质稳定,并且当代的半导体工业已经能够制造高纯度的硅晶体。科学家们利用激光学干扰仪从球体表面上随机选择了60000个点,测量每个点彼此间的距离,以确保这个圆球体是世界上最完美最精确的。同时,科学家们利用X射线晶体检测器来测量球体硅28原子之间的空间距离,确定在一些极端条件下该球体不发生明显的原子变化。这个球是如此完美,即使把它放大到地球那么大,它的最高点也仅高出海平面2.4米,表面上只能看到12毫米到15毫米高的皱褶。

  为什么要做得这么圆呢?张钟华说,因为这个圆球的体积是根据硅原子的质量算出来的。我们知道每个硅原子的质量,又知道单位体积内硅原子的数量,就可以计算出1千克硅所占的体积,算出来的值是直径93.75毫米。如果要制造出这样的球作为千克的标准,既要保证这个球体绝对的圆,直径绝对的准确,又要保证球里面的硅晶体没有缺陷。

  硅原子的质量是怎么知道的呢?科学家精确地知道碳12原子的质量,而其他原子的质量可以根据碳12的质量推导出来。那么,碳12的质量又是怎么得出来的?这个质量就是来自那个1889年的IPK。绕了半天,又回到“霸王标准”上了。

  4质量逐鹿

  圆球有个竞争者

  张钟华表示,硅球虽然仍然是个实体,但它和1889年的IPK相比有本质的区别。因为硅球是基于原子质量计算而来的,所以可以重复,一个作废了可以再造一个。而1889年的IPK还是用跟水质量比较的方法制造出来的,所以不可能用基于计算的方法进行复制。但是这个方案也有个问题,人们很难知道球里面有没有缺陷,球的外观可以很圆,很漂亮,但内部结构很难保证。而且,硅的表面还可能会氧化,影响质量的准确性。

  虽然硅球的“视觉效果”很好,但它绝不是现在惟一正在进行的IPK研制项目。张钟华说,其实英、法、美等国在搞的“瓦特平衡计划”可能更有希望。“瓦特平衡”(Watt balance)的方法试图用电子学的方式解决确立质量标准的问题。它其实是一个无比精细的电子秤,通过电磁感应力在平衡物体上的重力,通过测量电流的方法来测定这个重力的大小,从而确定物理的质量。现在这种方式确定的质量和IPK的误差最小可达5.2×10-8。需要引入“重力”是“瓦特平衡”的软肋,因为地球的重力加速度可能会变化,各地的重力加速度并不一致。而且,导线的形状也会引起实验结果的细微变化。

  张钟华表示,这两个方案是同时发展。这两种方法完成之后,如果都能和现在的IPK的差别小于2×10-8千克,那么就都能通过,如果不可以,那就很难说哪个能通过。确立新的IPK的项目开始说要到2011年完成,看来,这个计划可能要推迟了。现在希望能有人做出第三种方案,这样保险系数更大一些。中国是两种方案都在搞,这个项目政府很重视,希望能够站在世界前沿领域。

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