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| 第17屆單位制咨詢委員會重新定義質量單位千克 | |||
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第17屆單位制咨詢委員會(CCU)會議于6月29日至7月1日在BIPM所在地巴黎召開。參加會議的有各國代表29人，我國代表張鐘華、趙燕、陸祖良參加了會議。會議由CCU主席英國里茲大學教授Mills主持，BIPM局長Wallard出席了會議。
會議的一個重要議題是將基本單位定義建立在基本物理常數基礎上，其中一個重要的問題是重新定義質量單位千克。
一、會議前的討論和準備
把7個基本單位的定義建立在基本物理常數或者自然量子現象的基礎上，這樣建立的定義將不隨時間、空間和復現的方法而變化，是計量科學發展的方向。
但是，在質量單位“千克”方面的研究情況卻并不盡如人意。目前，仍然用保存在國際計量局的鉑銥合金千克原器的質量來定義。千克原器也成為最后一個仍在使用的實物基準。現已查明，千克原器由于污染和清掃而產生不穩定，100年大概變化了5×10-8，或者說50μg。與其他的基本單位，如長度、時間、電學量等的單位相比顯得相當滯后。另一方面，實物基準萬一發生火災、跌落等損壞情況，其量值將不能再準確復現，發生量值中斷的嚴重情況。1999年第21屆CGPM第7號決議要求各國計量院努力，通過實驗把質量單位和基本或原子常數聯系起來，以便將來對千克作新的定義。
為質量單位“千克”的重新定義問題，國際上一些先進國家已經開展了20多年的實驗研究。例如與普朗克常數有關的實驗是功率天平，其不確定度達到1×10-7到5×10-8的水平；與阿佛加德羅常數有關的硅球試驗，復現性已達到3×10-7；還有德國PTB的金離子收集實驗。但硅球試驗的結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Quinn，CODATA主要成員、前NIST電學處處長Taylor和NIST功率天平項目組負責人Williams提出了實質性的建議。題目是“重新定義千克:作決定的時候到了”。其概要是:
1.將千克定義建立在普朗克常數或阿佛加德羅常數的基礎上，不必等待實驗得到了好的結果再來重新定義。
2.這樣重新定義千克以后，很多基本常數將大大減少它們的不確定度。
3.現有千克原器的值作為約定值，繼續使用，擔當量值傳遞任務，但其不確定度從原來的0變為1.7×10-7。這樣將不影響絕大部分的實際使用情況。
對這個建議，CCEM和CCQM指出，由于兩個實驗結果之間存在1×10-6的差別，這個差別在近期內不能解決，建議到2011年作出決定。CCEM還建議電流單位同時重新定義，建立在給定基本電荷的基礎上。CCQM建議考慮化學關心的基本單位與基本常數問題。CCM提出了三個條件:這三個條件是，解決1×10-6的差別，單位復現水平達到2×10-8，這樣的復現方法至少有三個。在滿足這三個條件的基礎上同意改變定義。CCT對現有溫標涉及的水，規定了其同位素含量；同意通過給定波爾茲曼常數重新定義開爾文；對實際使用的方法要作出安排。
2005年6月27日，CODATA在BIPM召開會議。我國張鐘華院士參加了會議，會上主要提出了以下建議:三個基本單位同時重新定義，包括千克、安培、開爾文、千克傾向于與普朗克常數建立聯系，同時也希望通過給定阿佛加德羅常數重新定義物質量的單位摩爾。
二、中國的會前準備
6月17日召開了由國家質檢總局計量司組織并主持的專家研討會。會后進一步廣泛征詢有關專家的意見。最后綜合形成總的意見，并報經領導同意，作為中國代表參加國際會議的指導。內容如下:
1.將基本單位建立在基本常數的基礎上是計量科學發展的方向，最近提出的對質量單位重新定義的建議具有重要的科學意義，引起了全世界包括中國的重視和討論，促進了這項工作的進展，起到了積極的作用。
2.目前兩個實驗結果之間存在的1×10-6的偏差需要解決，CCEM和CCQM認為短期內不可能解決這個問題。我們認為2011年再予以討論這個問題是適宜的。
3.阿佛加德羅常數定義千克具有直觀性，容易為人理解，普朗克常數是量子力學中的一個關鍵常數，兩者各有優缺點。盡管按照目前的理解，我們傾向于普朗克常數，但還是建議到2011年再來討論這個問題。
4.CCM提出的問題反映了計量在社會生活中的重要性，應該引起重視。
5.要在常數確定和千克復現方法兩個方面繼續努力。
中國代表已將這個意見作為39號會議文件在會上作了說明。
三、會議討論情況及結論
美國NIST的Williams(功率天平項目負責人)報告了改進普朗克常數測量和功率天平實驗的情況。通過對幾個國家計量院和BIPM功率天平的原理和特點的介紹，對存在的不確定度進行了分析。NIST于4月份給出結果的不確定度是6×10-8，希望進一步努力，爭取更好的結果。例如為2006年的COTADA平差，爭取達到(2～3)×10-8的水平。
日本NMIJ的Fujii(硅球項目負責人)報告了確定阿佛加德羅常數和通過硅球試驗重新定義千克的情況。他作了關于日本NMIJ、德國PTB、比利時IRMM、意大利IMGC、澳大利亞NMIA、美國NIST合作進行的硅球試驗的專題報告，包括晶格常數、密度、摩爾質量和阿佛加德羅常數的測定情況，分析報告了表面氧化層對直徑測量的影響，并對天然同位素硅球獲得阿佛加德羅常數進行了進一步的計算。這次的報告值為6.0221353(18)×1023mol-1。與2002年COTADA發表的值6.0221415(10)×1023mol-1相比，其差為-1.0×10-6。通過國際合作項目IAC(International Avogadro Coordination)，希望將阿佛加德羅常數測定的相對標準不確定度從目前的3.1×10-7達到2006年的6.9×10-8，2009年的2.1×10-8。
法國科學院的Borde建議，根據能量關系式mc2=hυ，用德布羅意-康普頓頻率來定義千克:千克是質量的單位，它是德布羅意-康普頓頻率準確等于[(299792458)2/(6.6260693×10-34)]Hz的物體的質量。這個定義也是通過給定普朗克常數來實現的，其優點是，從物理概念上比較容易理解，但這個頻率十分巨大，不能直接測量，復現方法目前還是要通過功率天平，因此在會議上沒有得到積極的響應。
PTB代表(CCM)認為目前的千克原器的問題并不如所說的那么嚴重，實際它的穩定性比目前與基本常數相聯系的幾個實驗的不確定度要小得多。下面是他們列出的具體的相對不確定度數據:
千克原器方面:
1kgPt-Ir原器小于0.01×10-7；
CCM能達到的水平0.2×10-7；
E1等級1kg標準0.8×10-7；
基本常數及實驗:
普朗克常數、阿佛加德羅常數1.7×10-7，兩個實驗復現結果之間的差10×10-7。
他們同時強調千克量值在實際使用中連續性的重要性。
與會者認為，1999年第21屆CGPM第7號決議，就提出了通過實驗把質量單位和基本或原子常數聯系起來，以便對千克作新定義的問題；而長度單位的重新定義，給了我們成功的經驗，一般能理解并接受基本單位建立在基本常數上的重要性。從幾個CC的建議看，都是同意這一點的。CCM盡管提出了3個嚴格的條件，但對基本單位建立在基本常數上這一點，也是原則上同意的。
代表們從單位對貿易、工業和科學研究等實用性出發，強調復現方法及其復現不確定度的重要性；強調基本常數的數值要有新的進展；強調新定義必須為不同專業例如不同CC理解并接受；指出用普朗克常數定義千克從概念上不容易理解，對中小學生的教學工作也不容易進行。
關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率μ0給出電流定義的，這個定義還和長度和力的單位有關。1988年CIPM建議，用約瑟夫森常數和馮克里青常數來復現電壓和電阻的單位。
在SI框架內，每次CODATA平差，都是要給出相應的SI值KJ和RK。但作為出現在單位中的常數不能常常變化，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，它們就不在嚴格意義上的SI框架內。
假如在千克定義中固定了普朗克常數的值，再假如在電流定義中固定基本電荷的值，那么約瑟夫森常數和馮克里青常數也就固定了。這樣復現的電壓、電阻單位就將建立在嚴格的SI框架內準確的常數基礎上。因此在重新定義的SI單位制內，這個新的電流定義對電學計量是十分有意義的。
PTB代表介紹了國際上確定波爾茲曼常數的情況。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的不確定度已經達到2ppm，未來5年內估計能達到1ppm。
法國科學院的C. J. Borde博士報告了他們在探索用給定波爾茲曼常數k以重新定義溫度單位開爾文的工作中得到的新進展。他們用一束紅外激光通過一個氨氣吸收器，得到了相當完美的吸收譜線。譜線的信噪比達到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，M為氨分子的質量。這樣，就可以用吸收譜線的寬度ΔνΔ來測定T，從而提供了一種用給定波爾茲曼常數k以重新定義溫度單位開爾文的新方法。此項工作受到了與會代表的廣泛注意。
會議經過兩天半的討論，達成CCU給CIPM的建議。
1.建議求CIPM(國際計量委員會)今年10月會議原則同意，將質量單位“千克”重新定義(例如通過給定普朗克常數的量值)。同時重新定義電流單位“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)。在一系列限制條件下，建議CIPM向2011年24屆CGPM(國際計量大會)提出建議，通過這一項決議。這些限制條件有:實驗數據的重要性，為不同的CC所接受，廣泛宣傳，聽取社會大眾的意見。
2.考慮同時重新定義物質量的單位“摩爾”(通過給定阿佛加德羅常數)。
3.CIPM為2007年23屆CGPM大會準備決議，向成員國預告這件事情，以期引起重視。
4.鼓勵成員國的計量院向本國政府申請經費，繼續開展研究。
四、幾點看法
1.國際上對千克重新定義的問題，盡管有不同意見，實驗也沒有獲得實質性的突破，但主流趨勢傾向于改變現有的質量單位定義，未來改變定義的可能性很大。
2.建議對千克的新定義繼續給予關注和必要的重視，并作出相應的規劃；電學、熱工、特別是化學領域的計量工作者要了解目前的情況，檢查可能存在的問題，作出應對改變的措施。
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