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质量基准漫谈

发布时间:2019-09-27 作者:施昌彦 来源: 浏览:3676

质量基准漫谈

施昌彦


    计量涉及到人民生活的方方面面。例如在1995年底告别了北京公众贸易市场的杆秤,以及取而代之的现代化的电子计价秤和双面弹簧度盘秤等等。人们在天天接触这些计量器具的同时,自然会想到,如何保证这些秤准确无误呢?
    目前,国内外计量部门均用砝码进行检定秤的准确性。砝码是否准确?可用天平进行检定。天平是否准确?又用更准确的砝码去检定。更准确的砝码是否准确?再用更准确的天平去检定……如此上溯,最准确的源头就是保存在中国计量科学研究院的国家质量基准——基准砝码或千克(公斤)原器。这就是所谓的量值溯源或溯源性(treasibility)。
    各个国家的千克(公斤)原器,又要定期与保存在国际计量局(BIPM)的国际千克(公斤)原器进行比对。这样,就可以保证国际上质量量值的一致、准确,从而促进国际科技交流和公平贸易。
    说到“千克”这个质量单位,国际上是在距今200年的1795年,从长度单位“米”来确定的,即1立方分“米”纯水在最大密度时的质量为1“千克”。两年后,法国根据这个定义制造了一个铂圆柱体砝码,保存于巴黎的国家档案局并被称为“档案千克”(后来证明,它的实际值比定义值大28毫克)。
    国际米制委员会于1878年向英国的约翰逊(Johnson)、马瑟(Matthey)和伦敦公司定制了三个铂铱合金圆柱体砝码,两年后分别与“档案千克”比对。其中质量最接近的一个,在1889年第一届国际计量大会上被认定为“国际千克原器”。
    原器砝码的形状从理论上说应当是一个圆球,因为球的表面积最小,因而受外界的影响面也最小。但考虑到球的加工、调准和使用不便,最终采用高度和直径均为39毫米的圆柱体。选用的材料是90%铂和10%铱的合金,通过锻造(后来用粉末冶金技术),铂铱合金的密度达到21.5克/厘米3,同时使其性能稳定和不易磨损。原器表面经过精细抛光(后来用激光抛光技术),来减少凹处吸附和凸处磨损引起的质量增减。
    国际计量局根据千克原器的材质、形状和要求,先后加工复制了一些副原器发售给米制公约的各成员,作为这些国家的原器或质量基准,放在三层玻璃罩内。由于它们的稳定性很好,各国千克原器与国际千克原器或其作证基准之间每隔三、四十年才比对一次。第一次比对于1899—1911年间,第二次比对于1948—1953年间。
    最近的一次是1989—1994年间进行的,有34个成员国的铂铱合金基准砝码和5个成员国的不锈钢(含20%镍和20%铬)基准砝码参与比对。结果表明,单个铂铱合金砝码的不确定度为2.3微克,而不锈钢砝码为15微克。我国1965年引进的第60号千克原器的质量被确定为1kg+0.295mg,而1984年引进的第64号作证原器的质量为1kg+0.251mg。
    众所周知,由于砝码材料密度不同,空气浮力的影响也不同。在高精度计量中为消除这个影响,国际法制计量组织(OIML)推荐使用“在空气中衡量结果的约定值”,即约定选取20℃时砝码材料的密度为8000kg/m3。中国计量科学研究院主持研制的这种不锈钢砝码,因其密度非常接近约定值(8000.65—7999.81kg/m3)并磁化率极低(3.4×10-4),而受到国际同行赞叹。
    砝码磁化率对衡量结果影响颇大,它使同一物品在机械天平和电子天平上测得的值相去甚远,有时竟达数十倍(比如60倍)之多。降低现代砝码磁化率,一直是计量工作者努力追求的目标。计量院主持研制的砝码经国际计量局、德国联邦物理技术研究院几次测试证明,磁化率、密度和稳定性都很好。1995年10月在北京召开的第30届国际法制计量大会上,国际法制计量局局长阿塔内先生在接受国家技术监督局李传卿局长赠送的这种特制砝码时,对中国的计量成就给予了高度评价。
    但是从基础研究角度来看,在7个基本量中目前唯一剩下质量还没有建立自然基准,质量单位仍然定义在国际千克原器上。这个原器全世界只能有一个,各国无法单独实现千克,而且存在着损坏、污染的可能,量值难以达到固定不变。实际上,在第三次国际比对中已经发现清洗很难复原,对量值影响甚大。对过去的100年中,估计质量的变化达50微克,即5×10-8。此外,人们虽然在用原器定义宏观的质量单位千克,却又不得不以碳-12原子质量的1/12来定义微观的质量单位“原子质量单位”,这样就出现两个质量单位如何协调一致的问题。
    鉴于这种人为性和局限性,长期以来人们一直在寻求用某种自然规律或某种物质特性重新定义质量单位,这是当前和21世纪计量学的重要研究课题之一。研究表明,迄今为止可能存在的多种选择中有两种方案比较现实。
    一种方案是利用一定数量的基本粒子,比如把1.097768……×1030个自由电子静止时的质量定义为千克。这里的关键是通过精密测度硅单晶的晶格间距、密度和同位素,来提高阿伏加德罗常数NA的准确度。新近发展的扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的高分辨力和稳定性,使得显现原子图象及其个数成为可能;而皮米级氦氖激光测长干涉仪使得间距的准确度有可能达到10-9量级。
    第二种方案是利用重新定义后的电量,比如用电功率来定义力从而导出质量:千克为施加1牛顿的力使其产生1m/s2加速度的质量。这里的关键是研制将电功率(伏安)与机械功率(单位时间作的功)关联起来的装置,利用约瑟夫森(Josephson)效应确定电压,利用量子化霍尔(Hall)效应确定电阻,进而确定力并定义质量单位。
    质量单位千克是国际单位制的SI单位,不是倍数单位,但却带着SI词头,这是很别扭的事。在国际单位制的所有SI单位中,只有质量单位由于历史上的原因造成了这个例外。●

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