簡述國際基本單位千克的發展

于斌 初永杰 王鵬程 柴方磊

(山東方圓建筑工程檢測中心,山東濟南 250000)

簡述國際基本單位千克的發展

于斌 初永杰 王鵬程 柴方磊

(山東方圓建筑工程檢測中心,山東濟南 250000)

千克(Kilogram)是國際單位制中質量的基本單位,也是日常生活中最常使用的基本單位之一。目前,千克是國際單位制基本單位中唯一仍使用實物進行定義的單位,即被定義為國際千克原器的質量[1]。2011年國際度量衡大會(CGPM)會議同意以普朗克常數重新定義千克,并計劃于2014年會議上做出決定。

千克 國際千克原器 國際單位制 普朗克常數

千克是國際單位制中質量的基本單位。1791年，法國科學院指定拉瓦錫負責質量標準的制定。拉瓦錫提出質量標準采用千克，規定1千克是1立方分米的純水在4℃時的質量。并用鉑銥合金制成原器保存在巴黎，后稱國際千克原器。1901年第3屆國際計量大會規定：千克是質量的單位，等于國際千克原器的質量。

作為國際單位制中的七個基本單位，千克的穩定性非常重要。例如力的單位牛頓就是定義為使一千克的物體有1m/s2的加速度，若國際千克原器的質量有輕微的變動，牛頓的大小也會有相同程度的變動。而壓強的單位帕斯卡的定義有用到牛頓，因此也會隨之變化。這樣的連鎖反應會影響許多的單位，舉例如能量單位焦耳的定義是用以一牛頓的力使物體位移一米所作的功，而功率單位瓦特的定義則是單位時間所作的力，都會受到影響。電流單位安培的定義也和力學單位牛頓有關，因此千克的變化會影響安培的大小.也會影響其他電磁學的單位，例如庫侖、伏特、特斯拉、韋伯等。甚至光度基本單位坎德拉也會受到影響，而流明和勒克斯也隨之影響。

因為許多國際標準制單位的大小都和國際千克原器有關。因此國際千克原器的品質需要認真保護，以維持國際標準制的一致性。盡管有最好的保護，但是自從第三次周期性校正至今.全世界的國際千克原器復制品的平均質量已和國際千克原器有5.7μg的誤差。世界各國的量測實驗室要在第四次周期性校正時才能確定質量變化的歷史趨勢是否會持續。

國際千克原器（International Prototype of the Kilogram，簡稱IPK）是世界質量單位“千克”的標準砝碼，目前存放于國際計量局(BIPM)中(如圖1)。國際千克原器以鉑銥合金鑄造，因為鉑銥合金有膨脹率低、不易氧化等特點。定義來上說，IPK質量的量度值誤差為整零;IPK就是千克。然而，IPK因時間而成的質量變量，可經由比對世界各地正式復制品質量判定出來，這個過程被稱為“定期核準”。例如，美國擁有四個90%鉑10%銥的千克標準儀，其中K4和K20是1884年制的原批中四十個復制品的兩個。K20被指定為美國的國家首席標準。這兩個原器，跟其他國家的一樣，都要定期送回國際計量局(BIPM)作質量核準。

圖1 國際千克原器

除檢核標準可能受到的一般磨損外，就算被小心收藏的國家原器也會因不同的原因而產生相對于IPK的質量變動(如圖2)，當中原因有已知的，也有未知的。由于IPK與它的復制品都被存放于空氣中，它們還是會經由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質量。因此會用一種稱為“BIPM清潔法”的手續來清潔它們，這種方法是BIPM于1939至1946年間開發的，當中手續有用沾有等量乙醚和乙醇的油鞣革輕輕擦拭，用蒸餾過兩次的水進行蒸氣清潔，以及讓原器在核準前先放7至10天。至2011年，國際千克原器的重量減少了大約50μg[2]。

科學家們已經找出不少理由要把“千克”的定義給換掉。國際基本單位總共是7個，其他6個基本單位的定義都已經通過物理常量再定義，比如對于長度單位“米”，現已放棄鉑銥合金的米尺，改由恒定不變的光速來定義;而時間單位“秒”則以銫原子的裂變規律來定義。在國際基本單位中，只剩千克還停留在100多年前的舊標準上。

如何重新定義“千克”，科學家參照了其他6個基本國際單位的定義基準：用物理學常量來表示千克，比如“米的定義便是在真空中行進的光在299792458分之一秒內通過的距離。所以科學家正研究以更穩定的量子力學常數普朗克常數取代國際千克原器，重新對“千克”下定義，但是給普朗克常數確定一個精確的數值本身也是一項非常復雜的工作[3]。

圖2 各原器隨時間的質量變動

2008年04月，不倫瑞克的德國國家計量研究院的研究人員表示，他們將采用直徑10厘米的純硅體去界定比現在的千克質量定義更為標準的度量方法。純硅體耗資200萬歐元，合俄羅斯、澳大利亞和德國等科學精英之力，用時五年制造，質量無限接近于一千克，是完美的球體，99.99%的材料是硅同位素-硅28。制作純硅體目的是通過精確測算出純硅體內究竟有多少個原子，從而在測定阿伏伽德羅常數中獲得新的突破，進而將質量單位“千克”的標準回歸到與恒定常數相關的定義中[4]。因為在現行的國際單位制定義下，測量阿伏伽德羅常量，就是間接地測量普朗克常數[5]。所以德國不倫瑞克的科學家將對純硅體進行實驗，以測算它的硅原子數量。同時會與稱量千克原器的瓦特秤測量互補，共同提升普朗克常數的精確度[6]。

2010年10月，國際度量衡大會(CGPM)上一些專家提議以普朗克常量重新定義千克[7]。2011年10月的國際度量衡大會第24次會議原則性同意該提議，并決定將原定2015年的第25次會議提前至2014年舉行，屆時做出最終決議。

[1]Resolution of the 1st CGPM (1889). BIMP.

[2]秋凌.科學家發現國際千克原器減少約50微克.科學網,2011-1-28[2011-01-30].

[3]曾偲.《"千克"單位要被一個物理常量取代？》[N].《現代快報》,2012年2月27日(第A26版).

[4]科學家借助硅球重新定義質量單位“千克”.新華網.2008年04月17日.

[5]李楠,張澤光,駱旭.《千克重新定義研究的最新進展》[A].《計測技術》,2012-06-28.

[6]沈乃澂《計量學的世紀變遷 質量單位千克與物質的量摩爾定義的歷史、現狀和發展趨勢(二)》[J].《中國計量》,2011-06-10.

[7]李巖,張繼濤,羅志勇.《阿伏加德羅常數測量與千克重新定義》[J].《科學通報》, 2011-04-05.