简述“千克”重新定义的物理过程

【摘要】 质量单位“千克”是国际单位制的七个基本单位之一，最初的定义始于1791年。2018年11月16日国际计量局（简称BIPM）召开会议，决定自2019年5月20日国际计量日重新更改千克的定义。本文通过物理学上的基本定义，并且根据普朗克常数在不同物理时期的运用，简单描述了“千克”重新定义的过程。

【关键词】 千克;重新定义;普朗克常数

Abstract： The kilogram is one of the seven basic units of the international system of units， originally defined in 1791.On 16 November 2018， Bureau International des Poids et Mesures（BIPM）held a meeting and decided to change the definition of the kilogram from 20 May 2019. Based on the basic definition of physics and the application of Planck Constant in different physical periods，this paper briefly describes the redefinition process of “kilogram”.

Key words： kilogram;redefinition;planck constant

“1千克”這一质量单位由一个直径和高度同约为39毫米的铂铱合金圆柱体定义，即“国际千克原器”（International Prototype of the Kilogram），外号为“大K”（Le Grand K）。此前近130年来，“大K”公斤原器一直保存在巴黎西郊法国塞夫勒国际计量局地下储藏室内，其质量受空气污染和氧化等因素影响出现细微变化（变化了50微克）。科学界一直想用一种基于物理常数的定义来取代“大K”进行更为精确的物理实验。因此在2018年11月，国际计量局召开会议决定重新更改千克的定义。

1 量子霍尔效应

1.1 霍尔效应（Hall Effect）

霍尔效应在1879年被美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855-1938）发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系。当一段导体被通以电流I，在导体侧向加入磁场B，这样会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电压U;而且通过实验证明U正比于IB，（[U∝IB]）就是说电流和磁场的强度越强，电压就越大。

所以得出一个结论：霍尔电阻[R=UI∝B]。

1.2 量子霍尔效应（Quantum Hall Effect）

在一个世纪以后的1980年，德国科学家冯·克利青（Von Klitzing）在一个极低温1.5开尔文（-270℃），18特斯拉的强大磁场环境下，发现了所谓的量子霍尔效应，其公式为：

在公式中[h]和[e]均为自然常数，[h]称为普朗克常数（[h=6.63×10-34J?s]），[e]为元电荷电量（[e=1.6×10-19C]）。通过量子霍尔效应就将电阻欧姆（R）和两个自然界常数联系起来了。

2 约瑟夫森效应（Josephson Effect）

约瑟夫森效应以英国物理学家布赖恩.约瑟夫森（B.D.Josephson）命名，这是约瑟夫森在1962年提出的，即在两个超导体之间加入一片很薄的绝缘层，这种形式的组合结构被称为“约瑟夫森结”（Josephson Junction），然后用电磁波去照射“约瑟夫森结”，该照射过程实则是在约瑟夫森结的两端加以了电压，这里将电磁波的频率设为[f]，产生的电压为[U]，此时得出的物理公式：

通过约瑟夫森效应，将电压（U）也和两个自然界常数联系起来。电压（伏特）即是这样定义的。

3 千克的重新定义

3.1 定义的变化

质量单位“千克”最初的定义在1791年制定长度单位米时确定为“1立方分米的在最大密度（4℃）时的质量，称为1千克”。后来在1883年，法国国际计量局用90%的铂和10%的铱制成了直径和高均为39毫米的圆柱体千克原器（The International Prototype  Kilogram），简称IPK，也就是我们所说的“大K”。

3.2 瓦特天平

瓦特天平是由英国物理学家布莱恩·彼得·基布尔（Bryan·P·Kibble）博士发明的，因此又被称为“基布尔天平”。瓦特天平中包含了一个常规天平，其工作原理分为两种工作模式，第一种工作模式：称重模式。

首先将一个质量为[m]的物体固定在天平的一端，在天平的另一端悬挂着一段周长为[L]的金属线圈，并且让该金属线圈置于一个稳定的磁场强度为[B]的磁场当中。在线圈中通以强度为[I]的电流，这样线圈就受到了一个磁场中产生的安培力[FA]的作用;用左手定则判定后得出在称重模式工作下，安培力[FA]和物体重力[mg]可以达到一个平衡状态，得出：

通过调节电流的强度，直至天平达到平衡状态，然后撤掉重物和电流。这时进入瓦特天平工作的第二种工作模式：速度模式。

此时，让没有电流的金属线圈以速度[v]穿过磁场，切割磁感线，线圈上就会感生出感应电动势[ξ]（电磁感应现象），感应电动势的实质就是电压。使用右手定则来判定得到：

在式（8）中，由于频率[f]，重力加速度[g]，速度[v]，均为自然常数定义。所以直接将质量单位[m]和普朗克常数[h]联系起来了，从而实现了质量单位“千克”用自然常数的重新定义。

4 结语

通过这样的方法，实现了质量单位“千克”的自然常数定义，以后不再需要国际千克原器“大K”这样的实物量具进行量值传递，可以进行更加精密的物理实验和准确计量。定义一个单位，前后历经一个多世纪的时光，运用大量的物理理论基础和物理学知识，正是这种严谨的态度推动我们的自然科学一步一步向前发展，进而使我们的计量事业不断进步。

【参考文献】

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[2] 陆祖良，张钟华，赵燕.质量单位千克的重新定义——第17届CCU会议讨论重新定义千克、安培和开尔文[J].中国计量，2005（8）：46-48.

[3] 查刘生.对用普朗克常数重新定义质量单位“千克”的认识[J].上海计量测试，2019（2）：2-7.

[4] 李正坤，张钟华，王健.质量单位——千克的重新定义[J].中国计量，2018（7）：8-9+16.

【作者简介】李东岳（1983-），男，工程师，硕士，研究方向为衡器、质量检定。