[科普中國]-國際千克原器

國際千克原器（International prototype kilogram，簡稱IPK），又被稱為“一千克標準物”，是指1889年經(jīng)國際計量大會批準，作為千克單位標準物的砝碼。該砝碼由具有較強抗氧化性的Pt-10Ir鉑銥合金（90%鉑與10%銥）制成，直徑與高度均為39.00毫米，現(xiàn)在同六個復(fù)制品一道被保存在法國巴黎的國際計量局總部，另有官方復(fù)制品被送往世界各國，作為千克原器使用，這些復(fù)制品每隔一段時間便需要被送回法國與國際千克原器進行比較，以修正因損耗而帶來的誤差。

2013年1月，德國《計量學》雜志刊載研究報告稱，作為標準質(zhì)量單位的國際千克原器因表面遭污染而增重50微克。據(jù)估計，未來的質(zhì)量單位普朗克常量推算得出，國際千克原器也將逐漸被取代。1

2018年11月16日，在新一屆國際計量大會上，科學家們通過投票，正式讓國際千克原器退役，改以普朗克常數(shù)（符號是 h）作為新標準來重新定義“千克”。新標準將于2019年5月20日實施。

質(zhì)量單位古代質(zhì)量單位和長度單位的情況相似，也有多種多樣的形式。

例如：在波斯用卡拉薩(Karasha)作質(zhì)量的單位，約合0.834千克，埃及用格德特(gedet)，約合9.33克。 我國秦代度量衡制度中規(guī)定：1石=4鈞，1鈞=30斤，1斤=16兩。與現(xiàn)代國際單位制比較，1斤約合0.256千克。

英制中以磅(pound)，盎司(ounce)，打蘭(dram)，格令(grain)作單位：1磅=16盎司=256打蘭=7000格令

不列顛帝國曾用純鉑制成磅原器，它是高約1.35英寸，直徑1.15英寸的純鉑圓柱體。

歷史沿革發(fā)展沿革最初的千克質(zhì)量單位是由18世紀末法國采用的長度單位米推導(dǎo)出來的。1立方分米純水在最大密度(溫度約為4攝氏度)時的質(zhì)量，就定為1千克。

1799年法國在制作鉑質(zhì)米原器的同時，也制成了鉑質(zhì)千克基準，保存在巴黎檔案局里。

后來發(fā)現(xiàn)這個基準并不準確地等于1立方分米最大密度純水的質(zhì)量，而是等于1.000028立方分米。于是在1875年米制公約會議之后，也用含鉑90%、銥10%的合金制成千克原器，一共做了三個，經(jīng)與巴黎檔案局保存的鉑質(zhì)千克原器比對，選定其中之一作為國際千克原器。這個國際千克原器被國際計量局的專家們非常仔細地保存在特殊的地點，用三層玻璃罩好，最外一層玻璃罩里抽成半真空，以防空氣和雜質(zhì)進入。隨后又復(fù)制了四十個鉑銥合金圓柱體，經(jīng)過與國際千克原器比對后，分發(fā)給各會員國（包括一些已經(jīng)不存在的國家，如荷屬東印度——即今印度尼西亞）作為國家基準，在第二次世界大戰(zhàn)前，擁有國際千克復(fù)制件曾是一個國家的無上榮耀。歷史上德國通過統(tǒng)一獲得了4個復(fù)制件，而沒收國際千克復(fù)制件也是對戰(zhàn)敗國的懲罰之一。跟米原器一樣，千克原器也要進行周期性的檢定，以確保質(zhì)量基準的穩(wěn)定可靠。

擔憂但是,在2007年的一次檢查中，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)有118年歷史、用鉑和銥混合鑄造的圓柱形鑄件——國際千克原器減輕了大約50微克。沒有人能說出它的重量減輕的原因。雖然相關(guān)人員將這個千克原器小心地存放在巴黎附近的一個設(shè)施里，但它的重量還是發(fā)生了改變。

國際質(zhì)量和測量局的物理學家里查德·戴維斯說，與眾多復(fù)制品的平均質(zhì)量相比，這個標準砝碼輕了50微克。戴維斯說：“對于這個變化，我們尚未找出任何合理的原因。還不能確定究竟是標準砝碼的材料質(zhì)量變輕了，還是國家現(xiàn)行的通用砝碼變重了?！?/p>

鑒于以上原因，世界各地的科學家們將于11月齊聚法國巴黎，最終由來自世界各地的專業(yè)人士決定任何度量單位的變化。

重新定義提出佐治亞理工學院物理學分校的名譽退休教授羅納德·?？怂固嶙h從今以后克(一千分之一千克)將被嚴格地定義成18×14074481個碳-12原子的重量。至少有兩個重新定義千克的其他提議正在討論中。它們包括:1用純硅原子球體取代鉑金和銥混合圓柱體；2利用已知的“瓦特天平”裝置，并利用電磁能定義千克。

他們?nèi)缃裨趯ふ曳菍嵨锏姆绞絹矶x千克。千克與另外6個基本單位構(gòu)成了國際單位制。

其他單位還有米、秒、安培、開爾文、摩爾、坎德拉，它們?nèi)缃袢疾灰詫嵨飬⒖嘉餅橐罁?jù)。

試驗重點在于建立質(zhì)量與普朗克常數(shù)之間的關(guān)系，以提供千克的新定義。普朗克常數(shù)是量子物理學中的基本計量單位。

國際計量局科學家邁克爾·斯托克說，被稱作“國際千克原器”的金屬塊的使用壽命即將終結(jié)。他還表示：“我們的試驗正在向前推進，但是使用千克的新定義還為時過早。2

意義介紹千克是最后一個通過人造物質(zhì)，而不是基本物理屬性定義的重要標準,國際千克原器是當今千克的標準。例如，1983年，代表一米的距離被定義成光在兩億九千九百七十九萬兩千四百五十八分之一秒內(nèi)行駛的距離，從而取代了兩個點之間的距離的定義法。

因污染增重介紹國際千克原器是一個39毫米高、底面直徑也為39毫米的圓柱體。它由鉑銥合金制成，其中鉑含量為90%，銥含量為10%，合金密度約為21500公斤每立方米。3

國際千克原器設(shè)立于1875年，保存在法國首都巴黎的國際計量局內(nèi)。另有大約40個官方復(fù)制品分布于全球，用來定義千克。千克是國際單位制7個基本單位之一。3

原器之所以采用鉑銥合金制成，是因為這種合金的抗氧化性和抗化學腐蝕性非常好。不過報告稱，經(jīng)過百余年歲月洗禮，這些鉑銥合金圓柱體表面遭一定污染，增重數(shù)十微克。一微克為百萬分之一克。3

報告作者之一、英國紐卡斯爾大學計量學家彼得·坎普森告訴美國趣味科學網(wǎng)站記者，科學家早就意識到國際千克原器表面可能附著污染物，因此把它做成圓柱體，盡量減少表面積。這些原器保存在實驗室內(nèi)，空氣都經(jīng)過濾，恒溫，恒壓，但無法完全隔絕空氣污染和污染物。3

為測量原器“長胖”多少，坎普森帶領(lǐng)研究小組借助X射線光譜學成像技術(shù)，觀察與原器相似的物體表面，發(fā)現(xiàn)這些表面附著數(shù)十微克碳基及汞污染。碳可能來源于汽車尾氣，汞污染物則來自實驗室內(nèi)偶爾打破的水銀溫度計和水銀氣壓計。3

坎普森說，數(shù)十微克雖然沒多少重量，但會影響一些精密科學實驗和國際貿(mào)易。3

“那確實是相當微小的效果，但嚴格來講，我們比19世紀后期略微輕一些，”他說，“巴黎的國際千克原器是質(zhì)量定義的標準，它變了，但它的重量仍被當做1千克。它變重意味著其他東西實際上輕一些，包括我們自己?！?

擬清潔研究小組發(fā)現(xiàn)，用臭氧和紫外線可以打破鉑銥合金表面碳原子間的結(jié)合，去除碳基污染物，不過汞污染物可能仍然存留。也有另外一些辦法，但臭氧法“是能與手工摩擦媲美的辦法”，而且不會破壞原器。

坎普森說：“我們的做法可以有效地讓那些原器曬個日光浴。”3

國際計量局計量學家理查德·戴維斯說，臭氧法所用設(shè)備無須投入太多時間和費用，可能會被廣泛采用。3

中國千克原器中國的千克基準砝碼（公斤原器）是1965年從英國引進，編號為No.60，經(jīng)國際計量局（NIPM）檢定，檢定結(jié)果為1kg+0.271mg，標準偏差σ=0.008mg。1986年被批準為國家質(zhì)量基準，編號：GJJ（力）0101。

中國的千克基準砝碼（公斤原器）每二十年送國際計量局（BIPM）進行比對。1993年6月公布比對結(jié)果，我國的千克基準砝碼質(zhì)量值為1kg+0.295mg，總不確定度為2.3μg（k=1），數(shù)值在BIPM給出的等效帶內(nèi)，證明我國千克基準砝碼（公斤原器）保存良好。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王寧 - 副教授 - 西南大學