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  • 1 # 使用者2054985416833

    正好今年質量單位“千克”將要被重新定義,就說一下“千克”的確定。

    目前,1千克的定義就是“國際千克原器的質量”,這個原器存放在位於巴黎的國際計量局的保險櫃裡。

    請注意,千克是目前國際單位制基本單位中唯一仍使用實物進行定義的單位。其他的六個基本單位是米(長度),秒(時間),開爾文(溫度),安培(電流),摩爾(物質的量)和坎德拉(發光強度)。

    千克定義的演變史:從實物到基本物理常量

    千克最初的定義是4 ℃時一立方分米水的質量,這是1799年由法國科學家提出來的,並以這個標準制作了純鉑的千克原器作為1千克的國際標準。過了將近一個世紀,由於鉑銥合金更加穩定,1889年科學家們用鉑銥合金代替了純鉑的千克原器,然後這個千克原器一直被使用到現在。

    也就是說,我們使用的千克的定義一直是以國際千克原器這個實物為標準的。這樣的千克定義雖然簡單,但是卻存在一些根本性的困難。

    首先,透過長時間的觀察,人們發現,這個實物的儲存並不容易。

    儘管儲存條件幾乎無可挑剔,但是隨著時間的推移,國際千克原器的質量會發生微小的變化,這是一個問題。因為千克原器是千克定義的基準,它質量的改變意味著其他所有東西質量的改變。

    另外一個問題就是,為了避免對國際千克原器造成損傷,國際千克原器不能經常性使用,這就給不同實驗室對千克的測量帶來很大的不便。

    物理學中諸多的物理量都和千克有關,例如牛頓(力學單位),瓦特(功率單位),焦耳(能量單位)等,因此,千克原器的任何輕微改變都會引起其它物理量定義的混亂。

    為了有效杜絕這種混亂,早在2005年,國際計量委員會(CIPM)就已經建議以基本物理常量為基礎,對千克進行重新定義。 2010年,國際計量委員會終於決定,以普朗克常數為基礎重新定義千克,之後2011年國際度量衡大會同意了該提議,並計劃在2018年正式實施。

    普朗克常數:重新定義千克

    要用普朗克常數對千克進行重新定義,就需要對普朗克常數進行更為精確地測量,目前這一工作正在進行當中。

    普朗克常數的準確數值已經從 變為 ,不確定度從 提高到了 。

    得到精確的普朗克常數之後,就可以使用瓦特天平來對質量進行精確地測量。

    為什麼要用普朗克常數重新定義千克呢?

    原因如下:普朗克常數是物理學中最基本的常數之一,而且和它有關的量可以較為精確地測量,這也就意味著普朗克常數也能被精確地測量。

    普朗克常數的單位是 ,除了kg之外,長度(m)和時間(s)都有著很好的定義,且易於測量,因此選用普朗克常數來定義千克是一個比較好的選擇。而且新定義很容易被世界各地的實驗室重複,因為只要擁有一臺瓦特天平,根據普朗克常數將相應的儀器引數設定正確,那麼得出的質量就是一千克,這將會大大方便不同實驗室對質量的精確測量和使用。

    當然,日常生活中使用的千克並不受影響,因為這樣的定義並沒有改變原有千克的大小,只是將千克的定義基礎改變了,使它變得更容易重複和使用,也更加穩定。

    出品:科普中國

    監製:中國科學院計算機網路資訊中心

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