質(zhì)量基準漫談
施昌彥
計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易市場(chǎng)的桿秤，以及取而代之的現代化的電子計價(jià)秤和雙面彈簧度盤(pán)秤等等。人們在天天接觸這些計量器具的同時(shí)，自然會(huì )想到，如何保證這些秤準確無(wú)誤呢？
目前，國內外計量部門(mén)均用砝碼進(jìn)行檢定秤的準確性。砝碼是否準確？可用天平進(jìn)行檢定。天平是否準確？又用更準確的砝碼去檢定。更準確的砝碼是否準確？再用更準確的天平去檢定……如此上溯，最準確的源頭就是保存在中國計量科學(xué)研究院的國家質(zhì)量基準——基準砝碼或千克(公斤)原器。這就是所謂的量值溯源或溯源性(treasibility)。
各個(gè)國家的千克(公斤)原器，又要定期與保存在國際計量局(BIPM)的國際千克(公斤)原器進(jìn)行比對。這樣，就可以保證國際上質(zhì)量量值的一致、準確，從而促進(jìn)國際科技交流和公平貿易。
說(shuō)到“千克”這個(gè)質(zhì)量單位，國際上是在距今200年的1795年，從長(cháng)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，法國根據這個(gè)定義制造了一個(gè)鉑圓柱體砝碼，保存于巴黎的國家檔案局并被稱(chēng)為“檔案千克”(后來(lái)證明，它的實(shí)際值比定義值大28毫克)。
國際米制委員會(huì )于1878年向英國的約翰遜(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。其中質(zhì)量最接近的一個(gè)，在1889年第一屆國際計量大會(huì )上被認定為“國際千克原器”。
原器砝碼的形狀從理論上說(shuō)應當是一個(gè)圓球，因為球的表面積最小，因而受外界的影響面也最小。但考慮到球的加工、調準和使用不便，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))，鉑銥合金的密度達到21.5克/厘米3，同時(shí)使其性能穩定和不易磨損。原器表面經(jīng)過(guò)精細拋光(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。
國際計量局根據千克原器的材質(zhì)、形狀和要求，先后加工復制了一些副原器發(fā)售給米制公約的各成員，作為這些國家的原器或質(zhì)量基準，放在三層玻璃罩內。由于它們的穩定性很好，各國千克原器與國際千克原器或其作證基準之間每隔三、四十年才比對一次。第一次比對于1899—1911年間，第二次比對于1948—1953年間。
最近的一次是1989—1994年間進(jìn)行的，有34個(gè)成員國的鉑銥合金基準砝碼和5個(gè)成員國的不銹鋼(含20%鎳和20%鉻)基準砝碼參與比對。結果表明，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1965年引進(jìn)的第60號千克原器的質(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。在高精度計量中為消除這個(gè)影響，國際法制計量組織(OIML)推薦使用“在空氣中衡量結果的約定值”，即約定選取20℃時(shí)砝碼材料的密度為8000kg/m3。中國計量科學(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)，而受到國際同行贊嘆。
砝碼磁化率對衡量結果影響頗大，它使同一物品在機械天平和電子天平上測得的值相去甚遠，有時(shí)竟達數十倍(比如60倍)之多。降低現代砝碼磁化率，一直是計量工作者努力追求的目標。計量院主持研制的砝碼經(jīng)國際計量局、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院幾次測試證明，磁化率、密度和穩定性都很好。1995年10月在北京召開(kāi)的第30屆國際法制計量大會(huì )上，國際法制計量局局長(cháng)阿塔內先生在接受?chē)壹夹g(shù)監督局李傳卿局長(cháng)贈送的這種特制砝碼時(shí)，對中國的計量成就給予了高度評價(jià)。
但是從基礎研究角度來(lái)看，在7個(gè)基本量中目前唯一剩下質(zhì)量還沒(méi)有建立自然基準，質(zhì)量單位仍然定義在國際千克原器上。這個(gè)原器全世界只能有一個(gè)，各國無(wú)法單獨實(shí)現千克，而且存在著(zhù)損壞、污染的可能，量值難以達到固定不變。實(shí)際上，在第三次國際比對中已經(jīng)發(fā)現清洗很難復原，對量值影響甚大。對過(guò)去的100年中，估計質(zhì)量的變化達50微克，即5×10-8。此外，人們雖然在用原器定義宏觀(guān)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(guān)的質(zhì)量單位“原子質(zhì)量單位”，這樣就出現兩個(gè)質(zhì)量單位如何協(xié)調一致的問(wèn)題。
鑒于這種人為性和局限性，長(cháng)期以來(lái)人們一直在尋求用某種自然規律或某種物質(zhì)特性重新定義質(zhì)量單位，這是當前和21世紀計量學(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實(shí)。
一種方案是利用一定數量的基本粒子，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NA的準確度。新近發(fā)展的掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的高分辨力和穩定性，使得顯現原子圖象及其個(gè)數成為可能；而皮米級氦氖激光測長(cháng)干涉儀使得間距的準確度有可能達到10-9量級。
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)效應確定電壓，利用量子化霍爾(Hall)效應確定電阻，進(jìn)而確定力并定義質(zhì)量單位。
質(zhì)量單位千克是國際單位制的SI單位，不是倍數單位，但卻帶著(zhù)SI詞頭，這是很別扭的事。在國際單位制的所有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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