简述国际基本单位千克的发展

于斌 初永杰 王鹏程 柴方磊

(山东方圆建筑工程检测中心,山东济南 250000)

简述国际基本单位千克的发展

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千克(Kilogram)是国际单位制中质量的基本单位,也是日常生活中最常使用的基本单位之一。目前,千克是国际单位制基本单位中唯一仍使用实物进行定义的单位,即被定义为国际千克原器的质量[1]。2011年国际度量衡大会(CGPM)会议同意以普朗克常数重新定义千克,并计划于2014年会议上做出决定。

千克 国际千克原器 国际单位制 普朗克常数

千克是国际单位制中质量的基本单位。1791年，法国科学院指定拉瓦锡负责质量标准的制定。拉瓦锡提出质量标准采用千克，规定1千克是1立方分米的纯水在4℃时的质量。并用铂铱合金制成原器保存在巴黎，后称国际千克原器。1901年第3届国际计量大会规定：千克是质量的单位，等于国际千克原器的质量。

作为国际单位制中的七个基本单位，千克的稳定性非常重要。例如力的单位牛顿就是定义为使一千克的物体有1m/s2的加速度，若国际千克原器的质量有轻微的变动，牛顿的大小也会有相同程度的变动。而压强的单位帕斯卡的定义有用到牛顿，因此也会随之变化。这样的连锁反应会影响许多的单位，举例如能量单位焦耳的定义是用以一牛顿的力使物体位移一米所作的功，而功率单位瓦特的定义则是单位时间所作的力，都会受到影响。电流单位安培的定义也和力学单位牛顿有关，因此千克的变化会影响安培的大小.也会影响其他电磁学的单位，例如库仑、伏特、特斯拉、韦伯等。甚至光度基本单位坎德拉也会受到影响，而流明和勒克斯也随之影响。

因为许多国际标准制单位的大小都和国际千克原器有关。因此国际千克原器的品质需要认真保护，以维持国际标准制的一致性。尽管有最好的保护，但是自从第三次周期性校正至今.全世界的国际千克原器复制品的平均质量已和国际千克原器有5.7μg的误差。世界各国的量测实验室要在第四次周期性校正时才能确定质量变化的历史趋势是否会持续。

国际千克原器（International Prototype of the Kilogram，简称IPK）是世界质量单位“千克”的标准砝码，目前存放于国际计量局(BIPM)中(如图1)。国际千克原器以铂铱合金铸造，因为铂铱合金有膨胀率低、不易氧化等特点。定义来上说，IPK质量的量度值误差为整零;IPK就是千克。然而，IPK因时间而成的质量变量，可经由比对世界各地正式复制品质量判定出来，这个过程被称为“定期核准”。例如，美国拥有四个90%铂10%铱的千克标准仪，其中K4和K20是1884年制的原批中四十个复制品的两个。K20被指定为美国的国家首席标准。这两个原器，跟其他国家的一样，都要定期送回国际计量局(BIPM)作质量核准。

图1 国际千克原器

除检核标准可能受到的一般磨损外，就算被小心收藏的国家原器也会因不同的原因而产生相对于IPK的质量变动(如图2)，当中原因有已知的，也有未知的。由于IPK与它的复制品都被存放于空气中，它们还是会经由表面吸附大气层中的灰尘而获得质量。因此会用一种称为“BIPM清洁法”的手续来清洁它们，这种方法是BIPM于1939至1946年间开发的，当中手续有用沾有等量乙醚和乙醇的油鞣革轻轻擦拭，用蒸馏过两次的水进行蒸气清洁，以及让原器在核准前先放7至10天。至2011年，国际千克原器的重量减少了大约50μg[2]。

科学家们已经找出不少理由要把“千克”的定义给换掉。国际基本单位总共是7个，其他6个基本单位的定义都已经通过物理常量再定义，比如对于长度单位“米”，现已放弃铂铱合金的米尺，改由恒定不变的光速来定义;而时间单位“秒”则以铯原子的裂变规律来定义。在国际基本单位中，只剩千克还停留在100多年前的旧标准上。

如何重新定义“千克”，科学家参照了其他6个基本国际单位的定义基准：用物理学常量来表示千克，比如“米的定义便是在真空中行进的光在299792458分之一秒内通过的距离。所以科学家正研究以更稳定的量子力学常数普朗克常数取代国际千克原器，重新对“千克”下定义，但是给普朗克常数确定一个精确的数值本身也是一项非常复杂的工作[3]。

图2 各原器随时间的质量变动

2008年04月，不伦瑞克的德国国家计量研究院的研究人员表示，他们将采用直径10厘米的纯硅体去界定比现在的千克质量定义更为标准的度量方法。纯硅体耗资200万欧元，合俄罗斯、澳大利亚和德国等科学精英之力，用时五年制造，质量无限接近于一千克，是完美的球体，99.99%的材料是硅同位素-硅28。制作纯硅体目的是通过精确测算出纯硅体内究竟有多少个原子，从而在测定阿伏伽德罗常数中获得新的突破，进而将质量单位“千克”的标准回归到与恒定常数相关的定义中[4]。因为在现行的国际单位制定义下，测量阿伏伽德罗常量，就是间接地测量普朗克常数[5]。所以德国不伦瑞克的科学家将对纯硅体进行实验，以测算它的硅原子数量。同时会与称量千克原器的瓦特秤测量互补，共同提升普朗克常数的精确度[6]。

2010年10月，国际度量衡大会(CGPM)上一些专家提议以普朗克常量重新定义千克[7]。2011年10月的国际度量衡大会第24次会议原则性同意该提议，并决定将原定2015年的第25次会议提前至2014年举行，届时做出最终决议。

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

[2]秋凌.科学家发现国际千克原器减少约50微克.科学网,2011-1-28[2011-01-30].

[3]曾偲.《"千克"单位要被一个物理常量取代？》[N].《现代快报》,2012年2月27日(第A26版).

[4]科学家借助硅球重新定义质量单位“千克”.新华网.2008年04月17日.

[5]李楠,张泽光,骆旭.《千克重新定义研究的最新进展》[A].《计测技术》,2012-06-28.

[6]沈乃澂《计量学的世纪变迁 质量单位千克与物质的量摩尔定义的历史、现状和发展趋势(二)》[J].《中国计量》,2011-06-10.

[7]李岩,张继涛,罗志勇.《阿伏加德罗常数测量与千克重新定义》[J].《科学通报》, 2011-04-05.