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(zhèn)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(fù)制品”比對后發(fā)現(xiàn)其質(zhì)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(zhì)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(guān).

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(shù)，如阿伏伽德羅（Avogadro）常數(shù)、1摩爾（mole）內(nèi)的原子數(shù)以及（與一光子或粒子的能量與其頻率有關(guān)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(xiàn)在被定義為光線在一確定的時間內(nèi)傳播的距離，而“秒”曾一度被定義為一晝夜的若干分之一，現(xiàn)在被定義為在一銫原子中躍遷的精確節(jié)奏所持續(xù)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(zhì)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(yīng)能準確地計算出該球含有的硅原子數(shù).但由于以硅－28為基礎(chǔ)的晶體中混雜著不少硅－29和硅－30，現(xiàn)在，他們利用所謂的同位素稀釋質(zhì)譜技術(shù)造出一個硅－29和硅－30幾乎絕跡的硅球，結(jié)果計算出的阿伏伽德羅常數(shù)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(shù)，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(shù)來定義千克.

瓦特天平本質(zhì)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(shè)備，如約瑟夫森結(jié)（Josephson junctions）可用于穩(wěn)定地和可重復(fù)地計算所需平衡千克質(zhì)量的電流和電壓.此方法將定義千克與普朗克常量的關(guān)系.

專家們預(yù)期這一工作將在2015年完成.

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