即将被弃用的千克原器 - 真空技术在质量的全新定义中起着至关重要的作用

即将被弃用的千克原器 - 真空技术在质量的全新定义中起着至关重要的作用

在七个基本单位中,千克是唯一一个以真实物体做定义的单位:保存在巴黎的国际千克原器(IPK)。未来这将有所改变;质量的全新定义将基于自然常数。为此所需的实验基本步骤需要在真空中进行。
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网球大小、银色、近乎完美的圆球——这是不久后将取代巴黎 IPK 铂铱合金圆柱体的水晶球。它由科学家以高纯度硅制造;其重量与千克原器精准相等。
在真空中更轻

为了比较硅球质量与千克原器,将它们分别在大气条件和真空中称重。在真空中测量不受空气浮力和对流的影响,其测量结果与大气压力下的测量结果差异不太大。因为空气中的微小粒子会沉积在物体表面,因此真空中的物体会稍轻一点。称重水晶球时,这些粒子实际上可能会产生近 10 微克的平均偏差。

为了设计一个无偏差的公式来定义千克,物理学家必须确定球体中硅原子的数量。借助非常精准的球形和完美的晶体结构,可精确计算出来。但为了达到所需精确度,研究人员在 1 亿个原子中最多只能错算一个原子。如果实验成功,则千克的定义可以基于自然常数:硅 28 的原子量。

真空确保纯度

为准确确定原子的数量,硅必须非常纯净。因此,单晶固体要在真空中生长,以保证完美质量。要做到这一点,需将纯净、均质的硅放在拉晶机坩埚中,加热到熔点以上几度。然后再将一个高纯度小单晶(又称种子晶体)投入熔融质量中。液态硅将固化在种子晶体上,并在此过程中继续构建其常规晶格结构。通过缓慢的旋转和向上运动,形成圆柱形水晶柱;之后,将硅球从水晶柱上切割下来。

经由此方式制造及随后抛光的球体结构近乎完美:球体任何位置的直径差异都不超过 100 纳米。如果按此比例迁移到地球上,则任何山的高度都不超过五米。

两年的测量实验

为了确定体积,必须以光学方法精确测量硅球表面大约一百万个点。研究人员使用 x 射线干涉仪确定晶格中各原子之间的距离。获得此数据后,可从理论上计算适合此体积的原子数量。

硅球内部由常规晶格组成,但表面会形成一层二氧化硅。这层二氧化硅会影响球体的质量和体积,因此物理学家必须精准确定其厚度,并在计算时考虑在内。之后,通过 X 射线荧光光谱和光电子能谱,对球体进行分析。此分析也要在真空中进行:将球体放在真空约 10-8 mbar 的超高真空系统中分析,这样光子和电子不会被空气粒子吸收,并能畅通无阻地到达探测器。

研究人员计划花费两年左右时间来测量水晶球。历经近 130 年,千克原器有望在 2018 年秋季被取代。

普旭(Busch)将为全球的研究机构和实验室应用提供真空系统。


现在,大多数测量单位都用含不变常数的公式来确定。例如,米的定义是光在真空中 1/299,792,458 秒内传播的距离,而秒的定义是铯原子振荡 9,192,631,770 次的持续时间。

千克原器会损失重量

目前,千克是唯一一个仍基于真实质量——千克原器的测量单位。问题在于如果此原器损坏或丢失,它将无法替代。此外,铂铱合金圆柱体会随时间流逝损失重量:自制造以来,已损失近 50 毫克。这是通过将它与分布在全球测量机构的复制品比较发现的。造成质量损失的原因尚未得到最终解决;可能的原因之一是清洁过程。使用基于自然常数的全新质量定义,将彻底解决此问题:必要时,可随时精准复制一千克的参考质量。


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