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| 第17届单位制咨询委员会重新定义质量单位千克 | |||
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第17届单位制咨询委员会(CCU)会议于6月29日至7月1日在BIPM所在地巴黎召开。参加会议的有各国代表29人，我国代表张钟华、赵燕、陆祖良参加了会议。会议由CCU主席英国里兹大学教授Mills主持，BIPM局长Wallard出席了会议。
会议的一个重要议题是将基本单位定义建立在基本物理常数基础上，其中一个重要的问题是重新定义质量单位千克。
一、会议前的讨论和准备
把7个基本单位的定义建立在基本物理常数或者自然量子现象的基础上，这样建立的定义将不随时间、空间和复现的方法而变化，是计量科学发展的方向。
但是，在质量单位“千克”方面的研究情况却并不尽如人意。目前，仍然用保存在国际计量局的铂铱合金千克原器的质量来定义。千克原器也成为最后一个仍在使用的实物基准。现已查明，千克原器由于污染和清扫而产生不稳定，100年大概变化了5×10-8，或者说50μg。与其他的基本单位，如长度、时间、电学量等的单位相比显得相当滞后。另一方面，实物基准万一发生火灾、跌落等损坏情况，其量值将不能再准确复现，发生量值中断的严重情况。1999年第21届CGPM第7号决议要求各国计量院努力，通过实验把质量单位和基本或原子常数联系起来，以便将来对千克作新的定义。
为质量单位“千克”的重新定义问题，国际上一些先进国家已经开展了20多年的实验研究。例如与普朗克常数有关的实验是功率天平，其不确定度达到1×10-7到5×10-8的水平；与阿佛加德罗常数有关的硅球试验，复现性已达到3×10-7；还有德国PTB的金离子收集实验。但硅球试验的结果与功率天平之间存在1×10-6的差别。
2004年年底由CCU主席Mills，CODATA主席Mohr，BIPM前任局长Quinn，CODATA主要成员、前NIST电学处处长Taylor和NIST功率天平项目组负责人Williams提出了实质性的建议。题目是“重新定义千克:作决定的时候到了”。其概要是:
1.将千克定义建立在普朗克常数或阿佛加德罗常数的基础上，不必等待实验得到了好的结果再来重新定义。
2.这样重新定义千克以后，很多基本常数将大大减少它们的不确定度。
3.现有千克原器的值作为约定值，继续使用，担当量值传递任务，但其不确定度从原来的0变为1.7×10-7。这样将不影响绝大部分的实际使用情况。
对这个建议，CCEM和CCQM指出，由于两个实验结果之间存在1×10-6的差别，这个差别在近期内不能解决，建议到2011年作出决定。CCEM还建议电流单位同时重新定义，建立在给定基本电荷的基础上。CCQM建议考虑化学关心的基本单位与基本常数问题。CCM提出了三个条件:这三个条件是，解决1×10-6的差别，单位复现水平达到2×10-8，这样的复现方法至少有三个。在满足这三个条件的基础上同意改变定义。CCT对现有温标涉及的水，规定了其同位素含量；同意通过给定波尔兹曼常数重新定义开尔文；对实际使用的方法要作出安排。
2005年6月27日，CODATA在BIPM召开会议。我国张钟华院士参加了会议，会上主要提出了以下建议:三个基本单位同时重新定义，包括千克、安培、开尔文、千克倾向于与普朗克常数建立联系，同时也希望通过给定阿佛加德罗常数重新定义物质量的单位摩尔。
二、中国的会前准备
6月17日召开了由国家质检总局计量司组织并主持的专家研讨会。会后进一步广泛征询有关专家的意见。最后综合形成总的意见，并报经领导同意，作为中国代表参加国际会议的指导。内容如下:
1.将基本单位建立在基本常数的基础上是计量科学发展的方向，最近提出的对质量单位重新定义的建议具有重要的科学意义，引起了全世界包括中国的重视和讨论，促进了这项工作的进展，起到了积极的作用。
2.目前两个实验结果之间存在的1×10-6的偏差需要解决，CCEM和CCQM认为短期内不可能解决这个问题。我们认为2011年再予以讨论这个问题是适宜的。
3.阿佛加德罗常数定义千克具有直观性，容易为人理解，普朗克常数是量子力学中的一个关键常数，两者各有优缺点。尽管按照目前的理解，我们倾向于普朗克常数，但还是建议到2011年再来讨论这个问题。
4.CCM提出的问题反映了计量在社会生活中的重要性，应该引起重视。
5.要在常数确定和千克复现方法两个方面继续努力。
中国代表已将这个意见作为39号会议文件在会上作了说明。
三、会议讨论情况及结论
美国NIST的Williams(功率天平项目负责人)报告了改进普朗克常数测量和功率天平实验的情况。通过对几个国家计量院和BIPM功率天平的原理和特点的介绍，对存在的不确定度进行了分析。NIST于4月份给出结果的不确定度是6×10-8，希望进一步努力，争取更好的结果。例如为2006年的COTADA平差，争取达到(2～3)×10-8的水平。
日本NMIJ的Fujii(硅球项目负责人)报告了确定阿佛加德罗常数和通过硅球试验重新定义千克的情况。他作了关于日本NMIJ、德国PTB、比利时IRMM、意大利IMGC、澳大利亚NMIA、美国NIST合作进行的硅球试验的专题报告，包括晶格常数、密度、摩尔质量和阿佛加德罗常数的测定情况，分析报告了表面氧化层对直径测量的影响，并对天然同位素硅球获得阿佛加德罗常数进行了进一步的计算。这次的报告值为6.0221353(18)×1023mol-1。与2002年COTADA发表的值6.0221415(10)×1023mol-1相比，其差为-1.0×10-6。通过国际合作项目IAC(International Avogadro Coordination)，希望将阿佛加德罗常数测定的相对标准不确定度从目前的3.1×10-7达到2006年的6.9×10-8，2009年的2.1×10-8。
法国科学院的Borde建议，根据能量关系式mc2=hυ，用德布罗意-康普顿频率来定义千克:千克是质量的单位，它是德布罗意-康普顿频率准确等于[(299792458)2/(6.6260693×10-34)]Hz的物体的质量。这个定义也是通过给定普朗克常数来实现的，其优点是，从物理概念上比较容易理解，但这个频率十分巨大，不能直接测量，复现方法目前还是要通过功率天平，因此在会议上没有得到积极的响应。
PTB代表(CCM)认为目前的千克原器的问题并不如所说的那么严重，实际它的稳定性比目前与基本常数相联系的几个实验的不确定度要小得多。下面是他们列出的具体的相对不确定度数据:
千克原器方面:
1kgPt-Ir原器小于0.01×10-7；
CCM能达到的水平0.2×10-7；
E1等级1kg标准0.8×10-7；
基本常数及实验:
普朗克常数、阿佛加德罗常数1.7×10-7，两个实验复现结果之间的差10×10-7。
他们同时强调千克量值在实际使用中连续性的重要性。
与会者认为，1999年第21届CGPM第7号决议，就提出了通过实验把质量单位和基本或原子常数联系起来，以便对千克作新定义的问题；而长度单位的重新定义，给了我们成功的经验，一般能理解并接受基本单位建立在基本常数上的重要性。从几个CC的建议看，都是同意这一点的。CCM尽管提出了3个严格的条件，但对基本单位建立在基本常数上这一点，也是原则上同意的。
代表们从单位对贸易、工业和科学研究等实用性出发，强调复现方法及其复现不确定度的重要性；强调基本常数的数值要有新的进展；强调新定义必须为不同专业例如不同CC理解并接受；指出用普朗克常数定义千克从概念上不容易理解，对中小学生的教学工作也不容易进行。
关于用基本电荷定义电流的问题，原来的定义是通过给定真空磁导率μ0给出电流定义的，这个定义还和长度和力的单位有关。1988年CIPM建议，用约瑟夫森常数和冯克里青常数来复现电压和电阻的单位。
在SI框架内，每次CODATA平差，都是要给出相应的SI值KJ和RK。但作为出现在单位中的常数不能常常变化，必须固定。1988年CIPM建议中给出了KJ和RK的固定值，用KJ-90和RK-90表示，称为约定值(Conventional value)。这样一来，它们就不在严格意义上的SI框架内。
假如在千克定义中固定了普朗克常数的值，再假如在电流定义中固定基本电荷的值，那么约瑟夫森常数和冯克里青常数也就固定了。这样复现的电压、电阻单位就将建立在严格的SI框架内准确的常数基础上。因此在重新定义的SI单位制内，这个新的电流定义对电学计量是十分有意义的。
PTB代表介绍了国际上确定波尔兹曼常数的情况。所采用的方法目前有4种，包括Acoustic gas thermometry(AGT)，Thermal-equation-of-state methods，Radiation thermometry和Methods based directly on statistics and quantisation。目前确定波尔兹曼常数的不确定度已经达到2ppm，未来5年内估计能达到1ppm。
法国科学院的C. J. Borde博士报告了他们在探索用给定波尔兹曼常数k以重新定义温度单位开尔文的工作中得到的新进展。他们用一束红外激光通过一个氨气吸收器，得到了相当完美的吸收谱线。谱线的信噪比达到7000，宽度约为20MHz。吸收谱线的宽度可以用公式
其中λ为激光的波长，M为氨分子的质量。这样，就可以用吸收谱线的宽度ΔνΔ来测定T，从而提供了一种用给定波尔兹曼常数k以重新定义温度单位开尔文的新方法。此项工作受到了与会代表的广泛注意。
会议经过两天半的讨论，达成CCU给CIPM的建议。
1.建议求CIPM(国际计量委员会)今年10月会议原则同意，将质量单位“千克”重新定义(例如通过给定普朗克常数的量值)。同时重新定义电流单位“安培”(通过给定基本电荷的量值)，重新定义温度单位“开尔文”(通过给定布尔兹曼常数)。在一系列限制条件下，建议CIPM向2011年24届CGPM(国际计量大会)提出建议，通过这一项决议。这些限制条件有:实验数据的重要性，为不同的CC所接受，广泛宣传，听取社会大众的意见。
2.考虑同时重新定义物质量的单位“摩尔”(通过给定阿佛加德罗常数)。
3.CIPM为2007年23届CGPM大会准备决议，向成员国预告这件事情，以期引起重视。
4.鼓励成员国的计量院向本国政府申请经费，继续开展研究。
四、几点看法
1.国际上对千克重新定义的问题，尽管有不同意见，实验也没有获得实质性的突破，但主流趋势倾向于改变现有的质量单位定义，未来改变定义的可能性很大。
2.建议对千克的新定义继续给予关注和必要的重视，并作出相应的规划；电学、热工、特别是化学领域的计量工作者要了解目前的情况，检查可能存在的问题，作出应对改变的措施。
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