如何重新定義“千克”

許 槑

（中國科學院，北京 100190）

存放在法國巴黎西南方小鎮塞弗爾（Sevres）國際計量局（International Bureau of Weights and Measures，簡 稱BIPM）本部的千克國際標準是一鉑－銥合金圓柱體，從1889年至今120年矣.專家們將其與分布在全世界一些國家的計量實驗室之“復制品”比對后發現其質量有高達50μg的變化.

BIPM的前任主持人奎因（Terry Quinn）認為，千克標準具質量的變化可能是由于在鍛造時吹入圓柱體的氫在逐漸流失，也可能與過去在清潔該柱體時所用粗糙的砂紙或清潔液有關.

2010年10月，在巴黎舉行的計量工作國際會議上，一些專家建議將千克的定義與基本常數，如阿伏伽德羅（Avogadro）常數、1摩爾（mole）內的原子數以及（與一光子或粒子的能量與其頻率有關的）普朗克（Planck）常量掛鉤.

“米”和“秒”已有了重新定義的方式.“米”曾被定義為地球周長某一段的長度，現在被定義為光線在一確定的時間內傳播的距離，而“秒”曾一度被定義為一晝夜的若干分之一，現在被定義為在一銫原子中躍遷的精確節奏所持續的時間.

今后如何來定義“千克”呢？有兩個具有競爭力的方案：一個是將千克定義為若干個硅－28原子的質量，另一個被稱為“瓦特天平（Watt balance）”的方案是用電壓和電流來定義千克.

起初，以德國計量學家貝克爾（Peter Becker）為首的小組用激光檢測一純正的硅球，測定其體積，然后用X射線衍射估算出每個硅原子所占的容積.這樣，應能準確地計算出該球含有的硅原子數.但由于以硅－28為基礎的晶體中混雜著不少硅－29和硅－30，現在，他們利用所謂的同位素稀釋質譜技術造出一個硅－29和硅－30幾乎絕跡的硅球，結果計算出的阿伏伽德羅常數之值的不確定度為3.0×10－8.貝克爾說如果他們能進一步提高技術，此不確定度可降為2×10－8，并打賭說一定能做到用一組硅－28的原子數來定義千克.

瓦特天平本質上是一架天平，一端是原型的千克，另一端則是電磁場牽引.超靈敏的電子設備，如約瑟夫森結（Josephson junctions）可用于穩定地和可重復地計算所需平衡千克質量的電流和電壓.此方法將定義千克與普朗克常量的關系.

專家們預期這一工作將在2015年完成.

此文據Paul Marks.How to redefine the Kilogram.New scientist（25January 2011）編譯.