質(zhì)量基準(zhǔn)漫談
施昌彥
計(jì)量涉及到人民生活的方方面面。例如在1995年底告別了北京公眾貿(mào)易市場(chǎng)的桿秤，以及取而代之的現(xiàn)代化的電子計(jì)價(jià)秤和雙面彈簧度盤秤等等。人們?cè)谔焯旖佑|這些計(jì)量器具的同時(shí)，自然會(huì)想到，如何保證這些秤準(zhǔn)確無(wú)誤呢？
目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)量部門均用砝碼進(jìn)行檢定秤的準(zhǔn)確性。砝碼是否準(zhǔn)確？可用天平進(jìn)行檢定。天平是否準(zhǔn)確？又用更準(zhǔn)確的砝碼去檢定。更準(zhǔn)確的砝碼是否準(zhǔn)確？再用更準(zhǔn)確的天平去檢定……如此上溯，最準(zhǔn)確的源頭就是保存在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的國(guó)家質(zhì)量基準(zhǔn)——基準(zhǔn)砝碼或千克(公斤)原器。這就是所謂的量值溯源或溯源性(treasibility)。
各個(gè)國(guó)家的千克(公斤)原器，又要定期與保存在國(guó)際計(jì)量局(BIPM)的國(guó)際千克(公斤)原器進(jìn)行比對(duì)。這樣，就可以保證國(guó)際上質(zhì)量量值的一致、準(zhǔn)確，從而促進(jìn)國(guó)際科技交流和公平貿(mào)易。
說(shuō)到“千克”這個(gè)質(zhì)量單位，國(guó)際上是在距今200年的1795年，從長(zhǎng)度單位“米”來(lái)確定的，即1立方分“米”純水在最大密度時(shí)的質(zhì)量為1“千克”。兩年后，法國(guó)根據(jù)這個(gè)定義制造了一個(gè)鉑圓柱體砝碼，保存于巴黎的國(guó)家檔案局并被稱為“檔案千克”(后來(lái)證明，它的實(shí)際值比定義值大28毫克)。
國(guó)際米制委員會(huì)于1878年向英國(guó)的約翰遜(Johnson)、馬瑟(Matthey)和倫敦公司定制了三個(gè)鉑銥合金圓柱體砝碼，兩年后分別與“檔案千克”比對(duì)。其中質(zhì)量最接近的一個(gè)，在1889年第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上被認(rèn)定為“國(guó)際千克原器”。
原器砝碼的形狀從理論上說(shuō)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圓球，因?yàn)榍虻谋砻娣e最小，因而受外界的影響面也最小。但考慮到球的加工、調(diào)準(zhǔn)和使用不便，最終采用高度和直徑均為39毫米的圓柱體。選用的材料是90%鉑和10%銥的合金，通過(guò)鍛造(后來(lái)用粉末冶金技術(shù))，鉑銥合金的密度達(dá)到21.5克/厘米3，同時(shí)使其性能穩(wěn)定和不易磨損。原器表面經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光(后來(lái)用激光拋光技術(shù))，來(lái)減少凹處吸附和凸處磨損引起的質(zhì)量增減。
國(guó)際計(jì)量局根據(jù)千克原器的材質(zhì)、形狀和要求，先后加工復(fù)制了一些副原器發(fā)售給米制公約的各成員，作為這些國(guó)家的原器或質(zhì)量基準(zhǔn)，放在三層玻璃罩內(nèi)。由于它們的穩(wěn)定性很好，各國(guó)千克原器與國(guó)際千克原器或其作證基準(zhǔn)之間每隔三、四十年才比對(duì)一次。第一次比對(duì)于1899—1911年間，第二次比對(duì)于1948—1953年間。
最近的一次是1989—1994年間進(jìn)行的，有34個(gè)成員國(guó)的鉑銥合金基準(zhǔn)砝碼和5個(gè)成員國(guó)的不銹鋼(含20%鎳和20%鉻)基準(zhǔn)砝碼參與比對(duì)。結(jié)果表明，單個(gè)鉑銥合金砝碼的不確定度為2.3微克，而不銹鋼砝碼為15微克。我國(guó)1965年引進(jìn)的第60號(hào)千克原器的質(zhì)量被確定為1kg+0.295mg，而1984年引進(jìn)的第64號(hào)作證原器的質(zhì)量為1kg+0.251mg。
眾所周知，由于砝碼材料密度不同，空氣浮力的影響也不同。在高精度計(jì)量中為消除這個(gè)影響，國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)推薦使用“在空氣中衡量結(jié)果的約定值”，即約定選取20℃時(shí)砝碼材料的密度為8000kg/m3。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院主持研制的這種不銹鋼砝碼，因其密度非常接近約定值(8000.65—7999.81kg/m3)并磁化率極低(3.4×10-4)，而受到國(guó)際同行贊嘆。
砝碼磁化率對(duì)衡量結(jié)果影響頗大，它使同一物品在機(jī)械天平和電子天平上測(cè)得的值相去甚遠(yuǎn)，有時(shí)竟達(dá)數(shù)十倍(比如60倍)之多。降低現(xiàn)代砝碼磁化率，一直是計(jì)量工作者努力追求的目標(biāo)。計(jì)量院主持研制的砝碼經(jīng)國(guó)際計(jì)量局、德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院幾次測(cè)試證明，磁化率、密度和穩(wěn)定性都很好。1995年10月在北京召開的第30屆國(guó)際法制計(jì)量大會(huì)上，國(guó)際法制計(jì)量局局長(zhǎng)阿塔內(nèi)先生在接受國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局李傳卿局長(zhǎng)贈(zèng)送的這種特制砝碼時(shí)，對(duì)中國(guó)的計(jì)量成就給予了高度評(píng)價(jià)。
但是從基礎(chǔ)研究角度來(lái)看，在7個(gè)基本量中目前唯一剩下質(zhì)量還沒有建立自然基準(zhǔn)，質(zhì)量單位仍然定義在國(guó)際千克原器上。這個(gè)原器全世界只能有一個(gè)，各國(guó)無(wú)法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)千克，而且存在著損壞、污染的可能，量值難以達(dá)到固定不變。實(shí)際上，在第三次國(guó)際比對(duì)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)清洗很難復(fù)原，對(duì)量值影響甚大。對(duì)過(guò)去的100年中，估計(jì)質(zhì)量的變化達(dá)50微克，即5×10-8。此外，人們雖然在用原器定義宏觀的質(zhì)量單位千克，卻又不得不以碳-12原子質(zhì)量的1/12來(lái)定義微觀的質(zhì)量單位“原子質(zhì)量單位”，這樣就出現(xiàn)兩個(gè)質(zhì)量單位如何協(xié)調(diào)一致的問(wèn)題。
鑒于這種人為性和局限性，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在尋求用某種自然規(guī)律或某種物質(zhì)特性重新定義質(zhì)量單位，這是當(dāng)前和21世紀(jì)計(jì)量學(xué)的重要研究課題之一。研究表明，迄今為止可能存在的多種選擇中有兩種方案比較現(xiàn)實(shí)。
一種方案是利用一定數(shù)量的基本粒子，比如把1.097768……×1030個(gè)自由電子靜止時(shí)的質(zhì)量定義為千克。這里的關(guān)鍵是通過(guò)精密測(cè)度硅單晶的晶格間距、密度和同位素，來(lái)提高阿伏加德羅常數(shù)NA的準(zhǔn)確度。新近發(fā)展的掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的高分辨力和穩(wěn)定性，使得顯現(xiàn)原子圖象及其個(gè)數(shù)成為可能；而皮米級(jí)氦氖激光測(cè)長(zhǎng)干涉儀使得間距的準(zhǔn)確度有可能達(dá)到10-9量級(jí)。
第二種方案是利用重新定義后的電量，比如用電功率來(lái)定義力從而導(dǎo)出質(zhì)量:千克為施加1牛頓的力使其產(chǎn)生1m/s2加速度的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵是研制將電功率(伏安)與機(jī)械功率(單位時(shí)間作的功)關(guān)聯(lián)起來(lái)的裝置，利用約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)確定電壓，利用量子化霍爾(Hall)效應(yīng)確定電阻，進(jìn)而確定力并定義質(zhì)量單位。
質(zhì)量單位千克是國(guó)際單位制的SI單位，不是倍數(shù)單位，但卻帶著SI詞頭，這是很別扭的事。在國(guó)際單位制的所有SI單位中，只有質(zhì)量單位由于歷史上的原因造成了這個(gè)例外?！?/span>
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