如何重新定义“千克”

许 槑

（中国科学院，北京 100190）

存放在法国巴黎西南方小镇塞弗尔（Sevres）国际计量局（International Bureau of Weights and Measures，简 称BIPM）本部的千克国际标准是一铂－铱合金圆柱体，从1889年至今120年矣.专家们将其与分布在全世界一些国家的计量实验室之“复制品”比对后发现其质量有高达50μg的变化.

BIPM的前任主持人奎因（Terry Quinn）认为，千克标准具质量的变化可能是由于在锻造时吹入圆柱体的氢在逐渐流失，也可能与过去在清洁该柱体时所用粗糙的砂纸或清洁液有关.

2010年10月，在巴黎举行的计量工作国际会议上，一些专家建议将千克的定义与基本常数，如阿伏伽德罗（Avogadro）常数、1摩尔（mole）内的原子数以及（与一光子或粒子的能量与其频率有关的）普朗克（Planck）常量挂钩.

“米”和“秒”已有了重新定义的方式.“米”曾被定义为地球周长某一段的长度，现在被定义为光线在一确定的时间内传播的距离，而“秒”曾一度被定义为一昼夜的若干分之一，现在被定义为在一铯原子中跃迁的精确节奏所持续的时间.

今后如何来定义“千克”呢？有两个具有竞争力的方案：一个是将千克定义为若干个硅－28原子的质量，另一个被称为“瓦特天平（Watt balance）”的方案是用电压和电流来定义千克.

起初，以德国计量学家贝克尔（Peter Becker）为首的小组用激光检测一纯正的硅球，测定其体积，然后用X射线衍射估算出每个硅原子所占的容积.这样，应能准确地计算出该球含有的硅原子数.但由于以硅－28为基础的晶体中混杂着不少硅－29和硅－30，现在，他们利用所谓的同位素稀释质谱技术造出一个硅－29和硅－30几乎绝迹的硅球，结果计算出的阿伏伽德罗常数之值的不确定度为3.0×10－8.贝克尔说如果他们能进一步提高技术，此不确定度可降为2×10－8，并打赌说一定能做到用一组硅－28的原子数来定义千克.

瓦特天平本质上是一架天平，一端是原型的千克，另一端则是电磁场牵引.超灵敏的电子设备，如约瑟夫森结（Josephson junctions）可用于稳定地和可重复地计算所需平衡千克质量的电流和电压.此方法将定义千克与普朗克常量的关系.

专家们预期这一工作将在2015年完成.

此文据Paul Marks.How to redefine the Kilogram.New scientist（25January 2011）编译.