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今天,“千克”的新定义正式生效!安培、摩尔

来源:博我以文网   时间: 2019-07-28

2011 年,第 24 届国际计量大会的 55 名与会代表一致同意,开启重新定义千克的工作,采用普朗克常数来作为基准。7 年后,在第 26 届国际计量大会正式投票决定,改变千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)和摩尔(mol)这4个基本单位的定义,新定义将全部采用基本物理常数来定义,分别以普朗克常数(h)、基本电荷(e)、玻尔兹曼常数(k)和阿伏伽德罗常数(NA)的固定数值来实现。

历经 8 年的讨论与修订,今天,这四个单位的定义正式改变了。

撰文 戚译引

今天是第 20 个国际计量日,主题为“国际单位制(SI)—— 根本性飞跃(Fundamentally better)”。千克、安倍、开尔文和摩尔的新定义将从今天开始生效,这是 SI 自从 1960 年以来最大的一次调整。

计量学家们所追求的“圣杯”,就是一套适用于“万世万民”的计量体系。经过这次修订,我们离这个目标又近了一步:各种基本单位的定义不再受限于任何实体,而取决于事物的基本性质和人类技术的测量能力。

本次更新后 SI 中七个基本单位的关系,以及决定它们的七个基本常数。| 图片来源:Wikipedia

千克

从“大K”到普朗克常数

这一次更新的定义中,最受关注的就是千克的重新定义,它曾经是最后一个依赖于物理实体的测量单位。

1 千克曾经被定义为国际千克原器“大K”的质量。“大K”是一个铂-铱合金圆柱体,被保存在位于巴黎的国际度量衡局(BIPM)总部。尽管受到严密的保护,“大K”的质量一直在神秘丢失,而千克定义的改变也将波及其他相关定义,甚至一些基本物理常数的值。这些因素都让修改千克定义变得越发迫切。

在法国科学工业城(Cité de癫痫患者生活中要注意什么呢s Sciences et de l'Industrie)展出的大 K 复制品。| 图片来源:Wikipedia

新的千克定义以普朗克常数为基准。普朗克常数反映了一个光子携带的能量与频率之间的关系,光子能量等于频率与普朗克常数的乘积。所以,普朗克常数反映了量子物理中“一份”能量的大小,它决定着量子效应,并在所有尺度、所有环境中对所有的粒子施加同样的影响,这让它成为一个理想的测量标准。

由于普朗克常数的数值极小,测算工作也十分困难。1975 年,英国物理学家布莱恩·基布尔(Bryan Kibble)发明了基布尔秤,将电磁相互作用和引力、宏观尺度与微观尺度巧妙地联系起来,让普朗克常数的精确测算成为可能。又经过了近半个世纪的研究,普朗克常数才被确定。与埃菲尔铁塔同岁的“大K”也可以退休了。

根据新定义:

1 kg = ( h / 6.62607015×10−34 ) m−2s

代入米和秒的新定义,换算后得到:

图片来源:Draft of the ninth SI Brochure, 6 February 2019, BIPM

(公式中的 ∆νCs为铯原子精细跃迁频率,c 为真空中光速。)

摩尔

新定义你没准已经学过了

摩尔这个单位有些特殊,它的定义更改确实是最近的事情,但是你很可能早就开始使用它的新定义了——1 摩尔物质中含有的基本粒子数量为 6.022 140 76 × 1023,这个数值就是阿伏伽德罗常数的值。

在官方文件中,自从 1971 年起,1 摩尔被定义为“所含基本微粒个数与 0.012 千克碳 12 的原子数相等的系统中物质的佛山市专业治疗癫痫病医院量”。这个旧定义直接取决于千克的定义。

摩尔定义的演变简直就像阿伏伽德罗本人命运的重演:在提出理念与得到承认之间差了许多年。阿米迪奥·阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro,1776–1856)最初是一名律师,却对化学有着强烈的兴趣。当时学界对原子、分子的概念还不太了解,然而阿伏伽德罗最先意识到,在温度和压强相同的情况下,体积相同的气体中含有同样数目的粒子。

科学界花了半个世纪才跟上阿伏伽德罗的脚步,在 1900 年确定了“物质的量”这个概念,其单位“摩尔”(mole)来自于德语中“分子”(Molekül)一词的缩写。又过了一个多世纪,科学家才确定了阿伏伽德罗常数的值。这项工作由国际阿伏伽德罗协作组织(International Avogadro Coordination)的科学家们完成,他们借助 X 光计算一个重 1 千克的高纯度硅球中硅 28 原子的数量。当千克的定义被重新确立后,阿伏伽德罗常数的值也就得以确定下来。

用来计算阿伏伽德罗常数的高纯度硅球差不多是这样子。它经历过多次同位素分离,去除天然硅中的硅 29 和硅 30,使硅 28 的纯度最终达到 99.995%。图片来源:NIST

安培

告别“理想实验”

安培(A)的旧定义确立于 1946 年,它依赖一个理想实验:两根无限长、忽略横截面积的导线在真空中相距 1 米平行放置,使真空磁导率(vacuum magnetic permeability,记作μ0)为 4π × 10−7 N A−2 时(其中 N 为力的单位牛顿),导线中的电流为 1 安培。这样的定义为实验室中的精确测量造成了困难。

新的提案使用基本电荷常数 e 对安培进行定义。当导线中每秒通过的电子数量为 1/(1.602 176 6治疗癫痫权威医院34 × 10−19) 的时候,导线中的电流为 1 安培。

开尔文

遇见玻尔兹曼

开尔文是热力学温度的单位,它的旧定义确立于 1967 年,指“水的三相点温度的 1/273.16”。在三相点温度和特定的压强下,水的气、固、液三态可以共存。

开尔文的新定义将由玻尔兹曼常数导出。玻尔兹曼常数代表了系统的熵(S)与热力学几率(记作 Ω 或 W)之间的关系,热力学几率越大,即某一宏观态所对应的微观态数目越多,系统内的分子热运动的无序性就越大,熵值越大。具体而言,S = k ln Ω(这个公式也被刻在玻尔兹曼的墓碑上)。

根据最新测算结果,玻尔兹曼常数为:

k = 1.380 649 × 10−23 kg m2 s−2 K−1

而开尔文的定义为:

经过换算得到:

图片来源:Draft of the ninth SI Brochure, 6 February 2019, BIPM

玻尔兹曼常数将气体分子的平均动能与其绝对温度联系起来。根据新定义,当系统热能的改变为 1.380 649 × 10−23 J 的时候,温度的变化为 1 开尔文。

重新定义开尔文有利于提高在极端低温或极端高温下的测量精度。水的三相点温度的数值也将被实验重新测量,得到更加精确的结果。

“万世万民”的测量

在这次修订之前,米、秒和坎德拉就已经使用物理常数定义了。来复习一下:

铯 133 原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的 9 192 631 7长沙癫痫病治疗哪家好70 个周期的持续时间为 1 秒;

真空中的光在 1/299 792 458 秒内所传播的距离为 1 米;

若一频率为 540 x 1012 赫兹的单色辐射光源,在某方向上的辐射强度为 1/683 瓦特每球面度,则在此方向上的发光强度为 1 坎德拉。

坎德拉(candela)是发光强度单位,这个词来自于拉丁语的“蜡烛”,它最初的定义就是一支普通蜡烛发出的光亮。坎德拉将人眼对光线的感知和光的物理特性联系在一起。尽管它的定义中使用了时间单位秒和能量单位瓦特(由千克、米和秒导出),它仍然是一个基本计量单位。

总的来说,这次更新对日常生活没什么直接影响,但它无疑将促进一些科学领域的发展,就像高精度铯原子钟让我们得以证明广义相对论一样。当然,如果你愿意,你可以联想一下——光是注视体重秤上的数字,你便和量子效应、铯原子和光速发生了联系,这是多么妙不可言的事情。

扩展阅读:

见证历史:千克等单位被重新定义,国际单位制进入“量子时代”

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参考来源:

1.Draft of the ninth SI Brochure, 6 February 2019, BIPM

2. 用普朗克常数定义千克,撰文 蒂姆·福尔杰(Tim Folgier),翻译 庞玮,《环球科学》2017 年 3 月号

3. https://www.nist.gov/si-redefinition/redefining-mole

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