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		第17屆單位制咨詢委員會(huì)重新定義質(zhì)量單位千克

　　第17屆單位制咨詢委員會(huì)(CCU)會(huì)議于6月29日至7月1日在BIPM所在地巴黎召開。參加會(huì)議的有各國(guó)代表29人，我國(guó)代表張鐘華、趙燕、陸祖良參加了會(huì)議。會(huì)議由CCU主席英國(guó)里茲大學(xué)教授Mills主持，BIPM局長(zhǎng)Wallard出席了會(huì)議。

　　會(huì)議的一個(gè)重要議題是將基本單位定義建立在基本物理常數(shù)基礎(chǔ)上，其中一個(gè)重要的問題是重新定義質(zhì)量單位千克。

　　一、會(huì)議前的討論和準(zhǔn)備

　　把7個(gè)基本單位的定義建立在基本物理常數(shù)或者自然量子現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，這樣建立的定義將不隨時(shí)間、空間和復(fù)現(xiàn)的方法而變化，是計(jì)量科學(xué)發(fā)展的方向。

　　但是，在質(zhì)量單位“千克”方面的研究情況卻并不盡如人意。目前，仍然用保存在國(guó)際計(jì)量局的鉑銥合金千克原器的質(zhì)量來定義。千克原器也成為最后一個(gè)仍在使用的實(shí)物基準(zhǔn)?，F(xiàn)已查明，千克原器由于污染和清掃而產(chǎn)生不穩(wěn)定，100年大概變化了5×10-8，或者說50μg。與其他的基本單位，如長(zhǎng)度、時(shí)間、電學(xué)量等的單位相比顯得相當(dāng)滯后。另一方面，實(shí)物基準(zhǔn)萬一發(fā)生火災(zāi)、跌落等損壞情況，其量值將不能再準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，發(fā)生量值中斷的嚴(yán)重情況。1999年第21屆CGPM第7號(hào)決議要求各國(guó)計(jì)量院努力，通過實(shí)驗(yàn)把質(zhì)量單位和基本或原子常數(shù)聯(lián)系起來，以便將來對(duì)千克作新的定義。

　　為質(zhì)量單位“千克”的重新定義問題，國(guó)際上一些先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)開展了20多年的實(shí)驗(yàn)研究。例如與普朗克常數(shù)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)是功率天平，其不確定度達(dá)到1×10-7到5×10-8的水平；與阿佛加德羅常數(shù)有關(guān)的硅球試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)性已達(dá)到3×10-7；還有德國(guó)PTB的金離子收集實(shí)驗(yàn)。但硅球試驗(yàn)的結(jié)果與功率天平之間存在1×10-6的差別。

　　2004年年底由CCU主席Mills，CODATA主席Mohr，BIPM前任局長(zhǎng)Quinn，CODATA主要成員、前NIST電學(xué)處處長(zhǎng)Taylor和NIST功率天平項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人Williams提出了實(shí)質(zhì)性的建議。題目是“重新定義千克:作決定的時(shí)候到了”。其概要是:

　　1.將千克定義建立在普朗克常數(shù)或阿佛加德羅常數(shù)的基礎(chǔ)上，不必等待實(shí)驗(yàn)得到了好的結(jié)果再來重新定義。

　　2.這樣重新定義千克以后，很多基本常數(shù)將大大減少它們的不確定度。

　　3.現(xiàn)有千克原器的值作為約定值，繼續(xù)使用，擔(dān)當(dāng)量值傳遞任務(wù)，但其不確定度從原來的0變?yōu)?.7×10-7。這樣將不影響絕大部分的實(shí)際使用情況。

　　對(duì)這個(gè)建議，CCEM和CCQM指出，由于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在1×10-6的差別，這個(gè)差別在近期內(nèi)不能解決，建議到2011年作出決定。CCEM還建議電流單位同時(shí)重新定義，建立在給定基本電荷的基礎(chǔ)上。CCQM建議考慮化學(xué)關(guān)心的基本單位與基本常數(shù)問題。CCM提出了三個(gè)條件:這三個(gè)條件是，解決1×10-6的差別，單位復(fù)現(xiàn)水平達(dá)到2×10-8，這樣的復(fù)現(xiàn)方法至少有三個(gè)。在滿足這三個(gè)條件的基礎(chǔ)上同意改變定義。CCT對(duì)現(xiàn)有溫標(biāo)涉及的水，規(guī)定了其同位素含量；同意通過給定波爾茲曼常數(shù)重新定義開爾文；對(duì)實(shí)際使用的方法要作出安排。

　　2005年6月27日，CODATA在BIPM召開會(huì)議。我國(guó)張鐘華院士參加了會(huì)議，會(huì)上主要提出了以下建議:三個(gè)基本單位同時(shí)重新定義，包括千克、安培、開爾文、千克傾向于與普朗克常數(shù)建立聯(lián)系，同時(shí)也希望通過給定阿佛加德羅常數(shù)重新定義物質(zhì)量的單位摩爾。

　　二、中國(guó)的會(huì)前準(zhǔn)備

　　6月17日召開了由國(guó)家質(zhì)檢總局計(jì)量司組織并主持的專家研討會(huì)。會(huì)后進(jìn)一步廣泛征詢有關(guān)專家的意見。最后綜合形成總的意見，并報(bào)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)同意，作為中國(guó)代表參加國(guó)際會(huì)議的指導(dǎo)。內(nèi)容如下:

　　1.將基本單位建立在基本常數(shù)的基礎(chǔ)上是計(jì)量科學(xué)發(fā)展的方向，最近提出的對(duì)質(zhì)量單位重新定義的建議具有重要的科學(xué)意義，引起了全世界包括中國(guó)的重視和討論，促進(jìn)了這項(xiàng)工作的進(jìn)展，起到了積極的作用。

　　2.目前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在的1×10-6的偏差需要解決，CCEM和CCQM認(rèn)為短期內(nèi)不可能解決這個(gè)問題。我們認(rèn)為2011年再予以討論這個(gè)問題是適宜的。

　　3.阿佛加德羅常數(shù)定義千克具有直觀性，容易為人理解，普朗克常數(shù)是量子力學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵常數(shù)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。盡管按照目前的理解，我們傾向于普朗克常數(shù)，但還是建議到2011年再來討論這個(gè)問題。

　　4.CCM提出的問題反映了計(jì)量在社會(huì)生活中的重要性，應(yīng)該引起重視。

　　5.要在常數(shù)確定和千克復(fù)現(xiàn)方法兩個(gè)方面繼續(xù)努力。

　　中國(guó)代表已將這個(gè)意見作為39號(hào)會(huì)議文件在會(huì)上作了說明。

　　三、會(huì)議討論情況及結(jié)論

　　美國(guó)NIST的Williams(功率天平項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)報(bào)告了改進(jìn)普朗克常數(shù)測(cè)量和功率天平實(shí)驗(yàn)的情況。通過對(duì)幾個(gè)國(guó)家計(jì)量院和BIPM功率天平的原理和特點(diǎn)的介紹，對(duì)存在的不確定度進(jìn)行了分析。NIST于4月份給出結(jié)果的不確定度是6×10-8，希望進(jìn)一步努力，爭(zhēng)取更好的結(jié)果。例如為2006年的COTADA平差，爭(zhēng)取達(dá)到(2～3)×10-8的水平。

　　日本NMIJ的Fujii(硅球項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)報(bào)告了確定阿佛加德羅常數(shù)和通過硅球試驗(yàn)重新定義千克的情況。他作了關(guān)于日本NMIJ、德國(guó)PTB、比利時(shí)IRMM、意大利IMGC、澳大利亞NMIA、美國(guó)NIST合作進(jìn)行的硅球試驗(yàn)的專題報(bào)告，包括晶格常數(shù)、密度、摩爾質(zhì)量和阿佛加德羅常數(shù)的測(cè)定情況，分析報(bào)告了表面氧化層對(duì)直徑測(cè)量的影響，并對(duì)天然同位素硅球獲得阿佛加德羅常數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算。這次的報(bào)告值為6.0221353(18)×1023mol-1。與2002年COTADA發(fā)表的值6.0221415(10)×1023mol-1相比，其差為-1.0×10-6。通過國(guó)際合作項(xiàng)目IAC(International Avogadro Coordination)，希望將阿佛加德羅常數(shù)測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度從目前的3.1×10-7達(dá)到2006年的6.9×10-8，2009年的2.1×10-8。

　　法國(guó)科學(xué)院的Borde建議，根據(jù)能量關(guān)系式mc2=hυ，用德布羅意-康普頓頻率來定義千克:千克是質(zhì)量的單位，它是德布羅意-康普頓頻率準(zhǔn)確等于[(299792458)2/(6.6260693×10-34)]Hz的物體的質(zhì)量。這個(gè)定義也是通過給定普朗克常數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是，從物理概念上比較容易理解，但這個(gè)頻率十分巨大，不能直接測(cè)量，復(fù)現(xiàn)方法目前還是要通過功率天平，因此在會(huì)議上沒有得到積極的響應(yīng)。

　　PTB代表(CCM)認(rèn)為目前的千克原器的問題并不如所說的那么嚴(yán)重，實(shí)際它的穩(wěn)定性比目前與基本常數(shù)相聯(lián)系的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的不確定度要小得多。下面是他們列出的具體的相對(duì)不確定度數(shù)據(jù):

　　千克原器方面:

　　1kgPt-Ir原器小于0.01×10-7；

　　CCM能達(dá)到的水平0.2×10-7；

　　E1等級(jí)1kg標(biāo)準(zhǔn)0.8×10-7；

　　基本常數(shù)及實(shí)驗(yàn):

　　普朗克常數(shù)、阿佛加德羅常數(shù)1.7×10-7，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)結(jié)果之間的差10×10-7。

　　他們同時(shí)強(qiáng)調(diào)千克量值在實(shí)際使用中連續(xù)性的重要性。

　　與會(huì)者認(rèn)為，1999年第21屆CGPM第7號(hào)決議，就提出了通過實(shí)驗(yàn)把質(zhì)量單位和基本或原子常數(shù)聯(lián)系起來，以便對(duì)千克作新定義的問題；而長(zhǎng)度單位的重新定義，給了我們成功的經(jīng)驗(yàn)，一般能理解并接受基本單位建立在基本常數(shù)上的重要性。從幾個(gè)CC的建議看，都是同意這一點(diǎn)的。CCM盡管提出了3個(gè)嚴(yán)格的條件，但對(duì)基本單位建立在基本常數(shù)上這一點(diǎn)，也是原則上同意的。

　　代表們從單位對(duì)貿(mào)易、工業(yè)和科學(xué)研究等實(shí)用性出發(fā)，強(qiáng)調(diào)復(fù)現(xiàn)方法及其復(fù)現(xiàn)不確定度的重要性；強(qiáng)調(diào)基本常數(shù)的數(shù)值要有新的進(jìn)展；強(qiáng)調(diào)新定義必須為不同專業(yè)例如不同CC理解并接受；指出用普朗克常數(shù)定義千克從概念上不容易理解，對(duì)中小學(xué)生的教學(xué)工作也不容易進(jìn)行。

　　關(guān)于用基本電荷定義電流的問題，原來的定義是通過給定真空磁導(dǎo)率μ0給出電流定義的，這個(gè)定義還和長(zhǎng)度和力的單位有關(guān)。1988年CIPM建議，用約瑟夫森常數(shù)和馮克里青常數(shù)來復(fù)現(xiàn)電壓和電阻的單位。

　　在SI框架內(nèi)，每次CODATA平差，都是要給出相應(yīng)的SI值KJ和RK。但作為出現(xiàn)在單位中的常數(shù)不能常常變化，必須固定。1988年CIPM建議中給出了KJ和RK的固定值，用KJ-90和RK-90表示，稱為約定值(Conventional value)。這樣一來，它們就不在嚴(yán)格意義上的SI框架內(nèi)。

　　假如在千克定義中固定了普朗克常數(shù)的值，再假如在電流定義中固定基本電荷的值，那么約瑟夫森常數(shù)和馮克里青常數(shù)也就固定了。這樣復(fù)現(xiàn)的電壓、電阻單位就將建立在嚴(yán)格的SI框架內(nèi)準(zhǔn)確的常數(shù)基礎(chǔ)上。因此在重新定義的SI單位制內(nèi)，這個(gè)新的電流定義對(duì)電學(xué)計(jì)量是十分有意義的。

　　PTB代表介紹了國(guó)際上確定波爾茲曼常數(shù)的情況。所采用的方法目前有4種，包括Acoustic gas thermometry(AGT)，Thermal-equation-of-state methods，Radiation thermometry和Methods based directly on statistics and quantisation。目前確定波爾茲曼常數(shù)的不確定度已經(jīng)達(dá)到2ppm，未來5年內(nèi)估計(jì)能達(dá)到1ppm。

　　法國(guó)科學(xué)院的C. J. Borde博士報(bào)告了他們?cè)谔剿饔媒o定波爾茲曼常數(shù)k以重新定義溫度單位開爾文的工作中得到的新進(jìn)展。他們用一束紅外激光通過一個(gè)氨氣吸收器，得到了相當(dāng)完美的吸收譜線。譜線的信噪比達(dá)到7000，寬度約為20MHz。吸收譜線的寬度可以用公式

　　其中λ為激光的波長(zhǎng)，M為氨分子的質(zhì)量。這樣，就可以用吸收譜線的寬度ΔνΔ來測(cè)定T，從而提供了一種用給定波爾茲曼常數(shù)k以重新定義溫度單位開爾文的新方法。此項(xiàng)工作受到了與會(huì)代表的廣泛注意。

　　會(huì)議經(jīng)過兩天半的討論，達(dá)成CCU給CIPM的建議。

　　1.建議求CIPM(國(guó)際計(jì)量委員會(huì))今年10月會(huì)議原則同意，將質(zhì)量單位“千克”重新定義(例如通過給定普朗克常數(shù)的量值)。同時(shí)重新定義電流單位“安培”(通過給定基本電荷的量值)，重新定義溫度單位“開爾文”(通過給定布爾茲曼常數(shù))。在一系列限制條件下，建議CIPM向2011年24屆CGPM(國(guó)際計(jì)量大會(huì))提出建議，通過這一項(xiàng)決議。這些限制條件有:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要性，為不同的CC所接受，廣泛宣傳，聽取社會(huì)大眾的意見。

　　2.考慮同時(shí)重新定義物質(zhì)量的單位“摩爾”(通過給定阿佛加德羅常數(shù))。

　　3.CIPM為2007年23屆CGPM大會(huì)準(zhǔn)備決議，向成員國(guó)預(yù)告這件事情，以期引起重視。

　　4.鼓勵(lì)成員國(guó)的計(jì)量院向本國(guó)政府申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，繼續(xù)開展研究。

　　四、幾點(diǎn)看法

　　1.國(guó)際上對(duì)千克重新定義的問題，盡管有不同意見，實(shí)驗(yàn)也沒有獲得實(shí)質(zhì)性的突破，但主流趨勢(shì)傾向于改變現(xiàn)有的質(zhì)量單位定義，未來改變定義的可能性很大。

　　2.建議對(duì)千克的新定義繼續(xù)給予關(guān)注和必要的重視，并作出相應(yīng)的規(guī)劃；電學(xué)、熱工、特別是化學(xué)領(lǐng)域的計(jì)量工作者要了解目前的情況，檢查可能存在的問題，作出應(yīng)對(duì)改變的措施。

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