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[国内新闻] 千克新界说正式收效,为此他们造出了有史以来最 圆的球

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宣布于 2019-5-21 10:10:32 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖赏 |倒序阅览 |阅览方式

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5月20日,“千克”新界说正式收效,标志着世界单位制迎来历史性革新。为了完成千克界说的“常数化”,科学家们进行了常人不行思议的艰苦探究。

2019年5月20日,注定是一个人类科技史上的大日子。在这一天,伴跟着千克新界说的正式收效,人类完成了使用物理常数来界说世界单位制中悉数七个基本单位的使命。从今以后,千克的界说将不再依赖于某些详细什物,而是建立在永恒不变的物理常数之基础上。

视频:


2019年5月20日世界计量日,千克的界说正式改动。改动界说后的1千克等于什么?为什么要改动千克的界说?看了千克的故事,你都能找到答案。

新千克被界说为hsm^-2/(6.62607015×10^-34),由h(普朗克常数)、s(秒)、m(米)一起界说。

为了完成千克的从头界说,世界多国科学家进行了常人不行思议的艰苦探究。从基布尔秤的不断改进到阿伏伽德罗常数的从头测定,科学家们从两种天壤之别的视点完成了使用普朗克常数界说千克的终究方针。由于基布尔秤的相关文章已有不少,这篇文章将会侧重介绍以准确丈量阿伏伽德罗常数为切入点的第二种方案。在这一方针的完成过程中,不只要多国团队间的精诚团结,更有穷途末路时的山穷水尽。


世界上最准确的秤
由于之前的千克基准器一向由保存在法国的世界千克原器担纲,科学家们早就忧虑这一承负着人类衡量系统的“圣物”某天发作意外。此外,千克原器到现在为止现已产生了一亿分之五的质量误差,精度上现已不能满意许多高精尖科技领域的需求。因而,对千克从头进行界说的呼声从上世纪中叶就现已开端了。


世界千克原器,此前千克被界说为它的质量(来自网络)


由于普朗克常数和千克之间存在运算联系,使用普朗克常数界说千克就成为了千克新界说的选项之一,问题随之变成了怎么准确测定普朗克常数。1975年,英国国立物理学研讨所的布莱恩.基布尔(Bryan Kibble)提出了一种后来被命名为基布尔秤的设备模型,这一设备能够使用电磁学原理准确丈量出物体的质量。

由于电压和电流单位都能够用包含普朗克常数在内的一些物理常数进行界说(相当于电磁力能够准确地用普朗克常数表明),因而使用准确测得的已知质量,基布尔秤有望以极高的精度取得普朗克常数。从1975年开端,科学家们不断改进基布尔秤,令其测得的普朗克常数精度迫临甚至超越世界千克原器一亿分之五的水平。


基布尔秤,能够用砝码的质量(重力)准确“称量”电磁力(来自网络)


进入2000年后,基布尔秤对普朗克常数的丈量精度现已满意满意千克新界说的要求,且多国都在自己的基布尔秤上取得了一致性很高的数据,看起来这项作业到此为止就能够满意收工了。但是,由于各国的丈量方法都是根据同一种原理,假如基布尔秤自身存在某些所有人都未曾想到的规划缺点,由它取得的数据又怎么能作为人类衡量系统的基石呢?

科学家们把目光转向了另一个常数,阿伏伽德罗常数。阿伏伽德罗常数和普朗克常数间存在换算联系,且具有相同的不确认度。假如能够准确丈量出阿伏伽德罗常数,也就能以相同的精度得到普朗克常数。这种方法根据彻底不同的技能道路,将其取得的效果与基布尔秤试验进行比照,就能够彼此验证普朗克常数的丈量准确性,再根据此确认千克的新界说。

不过,前所未闻的精度要求意味着史无前例的艰难险阻,对阿伏伽德罗常数施行准确丈量的测验从一开端就绝非坦道。
简略的原理,不简略的途径

阿伏伽德罗常数的界说是一摩尔某种物质中所含有的组成粒子数,是一个交流宏观世界和微观世界的桥梁。在数值上,阿伏伽德罗常数等于元素的摩尔质量除以这种元素一个原子的质量。即:


M(X)为元素X的摩尔质量,m(X)为元素X单个原子的质量。直接根据这个界说丈量阿伏伽德罗常数需求以极高精度直接测出单个原子的质量,这是现在的科技水平所无法完成的。不过,实际操作中,假如研讨对象是某种物质的立方晶体形状,阿伏伽德罗常数的界说能够写为如下的方式。

其间n为这种晶体中单个晶胞内原子的数目,n与详细的晶体形状有关,当晶体确认下来时n也随之确认。a为这种晶体的晶格常数(单个晶胞的边长),ρ为晶体密度,两者能够测验使用现有技能进行准确测定。因而,问题到这儿就转化为了丈量什么样的晶体能够取得最为准确的晶格常数和密度数据。这种晶体首要需求有十分规矩的内部结构,假如内部满是缺点,必然会影响高精度条件下的丈量。其次,这种晶体有必要有十分安稳的理化性质,假如易于同氧气和水发作反响,那么在空气中生成的氧化膜和腐蚀产品就会影响对密度的丈量。再次,这种晶体有必要是现有技能条件能够测验制作的。终究,一种挨近“完美”的候选晶体成为了科学家们的“天选之子”,这便是半导体工业中常见的单晶硅。当它以立方晶体的形状出现时,n=8(单个晶胞中含8个硅原子)跟着半导体工业的继续前进,人们现在现已能够取得纯度极高的大块单晶硅。且硅的理化性质十分安稳,虽然会生成几个纳米厚度的氧化膜,但是氧化膜一旦生成厚度就不再增加。

单晶硅的晶胞(来自网络)

均匀摩尔质量隐藏机关,俄罗斯核质料离心机重出江湖

方针确认之后,接下来便是应战人类极限的准确丈量。第一道难关是怎么取得满意高精度的摩尔质量M(Si)。在高中讲义中咱们学到过元素的同位素,也核算过某种元素原子的均匀摩尔质量。均匀摩尔质量考虑了每种同位素的丰度及每种同位素原子的摩尔质量,在绝大多数景象下能够满意精度要求。

硅在自然界中的三种安稳同位素别离为,Si-28、Si-29和Si-30,元素丰度别离为92%、5%和3%。研讨人员们使用每种硅同位素的摩尔质量和元素丰度核算出了硅的均匀摩尔质量。但是,由于丰度数据的误差在一千万分之一以上,极大的恶化了终究的丈量效果。均匀摩尔质量数值终究的精度为一亿分之二十四,超越了一亿分之五的误差要求。

至此,阿伏伽德罗方案遇到了第一个严重困难。不过,处理的方法仍是有的,已然硅同位素以Si-28为主,那么对硅进行别离提纯不就能够进步Si-28的纯度,终究挨近100%了吗?一般来说,对同位素进行别离一般选用离心机,也便是相似洗衣机脱水桶相同的原理,使用同位素之间离心力的不同(由于分量存在差异),让几种同位素别离开来。

不过,由于各种硅同位素间相对原子量的距离极小,一般的离心机可没有这么强壮的别离才能。但在功用和功率上能够满意对硅进行别离的离心机还真不必从头打造,地球上还真有现成的设备能够派上用场。暗斗年代,前苏联在其核设施内一向在进行核资料的离心别离。暗斗完毕后,这些离心机也就再未敞开过了。

几经和谐,俄罗斯赞同出售若干台离心机协助进行硅提纯。但鉴于设备自身价值昂扬,取得的资料也极为宝贵,凭仗一两个国家难以承受如此巨大的出资和严重的职责。因而,2004年,世界阿伏伽德罗常数方案在这样的布景下正式启动了。这一方案旨在经过联合各参与国,和谐分工,使用各国的资源和利益一起完成阿伏伽德罗常数的准确测定。

2007年,在高性能离心机的协助下,研讨团队将Si-28含量进步到了99.99%,并由日本和德国团队使用不同的技能道路别离独立测出了Si-28的准确摩尔质量,两者别离取得了误差一亿分之零点五和一亿分之零点八之内的高精度效果,且两者的误差规模高度符合。至此,摩尔质量的准确丈量就功德满意了。
有史以来最圆的球,有史以来最准确的密度

之后,研讨人员使用离心取得的Si-28质料,托付一家德国企业制作出了质量为5千克左右的高纯度单晶硅锭。在5千克锭子中,又由澳大利亚联邦科学工业研讨组织(CSIRO)进一步切割并研磨出了两个单晶硅球,每个的分量都是1千克。这两个球体光是资料费加起来就超越了一千三百万人民币。


试验所用的单晶硅锭(来历见图)

至于为什么要把硅制作成球体而不是其它形状,首要的考虑仍是为了便于后续密度丈量以及尽量操控外表的氧化。其它形状不只要更大的外表积,面间的楞还有着与其它部分不同的氧化层厚度,关于高精度丈量有着不行忽视的影响。随后,日本产总研使用专门开发的超高精度激光干与仪对硅球外表不同方位进行了大约2000次直径丈量。效果发现,这个球可谓人类历史上制作出的最圆的球,它直径的最大误差只要70纳米,假如把球扩大到整个地球的体积,这意味着遍地的高度差尚缺少10米。此外,由于温度会影响资料的体积,测守时仪器腔内的温度操控也需求高度注重,一套特别开发的温度操控系统能够让腔内温度改变小于万分之六度,极大的增加了体积丈量的精度,终究,体积丈量的误差被操控在了一亿分之二以下。

超圆硅晶球和阿伏伽德罗像(来自网络)

几个纳米厚的氧化层也不能放过

在真空天平中将该硅球质量与千克原器进行比照后,该球质量也准确得出了,接下来一个简略的除法不便是密度了吗?且慢,到这儿还算不得是最为准确的效果,咱们之前说到的外表氧化膜也有必要要考虑进去。而且,不光是氧化膜,在球体研磨加工过程中,还有微量的铜和镍等污染物会吸附在球体外表,这部分影响要素也需求扣除。

所以,研讨人员们归纳使用了光谱椭圆光度法(SE)、X射线反射率法(XRR)、X射线光电子分光法(XPS)以及荧光X射线法(XRF)等一系列与外表成分和外表膜厚相关的技能,对球体外表存在的物质品种、化学组成、厚度以及质量等若干参数进行了归纳鉴定,将外表不纯物质(二氧化硅及杂质)带来的误差下降到了一亿分之零点四。终究,密度丈量的精度达到了一亿分之二。

晶格常数a的丈量没有沿袭比较常用的X射线衍射法,这是由于界说新千克所要求的精度太高,而X射线又缺少激光相同的高单色性,丈量精度极限缺少。为了处理这一问题,美国、德国、意大利和日本的研讨人员选用了精度更高的X射线干与法,终究使晶格常数的丈量精度达到了十亿分之四。
在全球多国科学家的尽力之下,世界阿伏伽德罗常数方案将新测得常数的精度操控在一亿分之三,满意达到了预期方针。所得的常数值已于2010年被世界科技数据委员会(CODATA)作为阿伏伽德罗常数的规范值向全世界引荐。这项注定要载入史册的效果,凝聚了多国研讨组织和企业的经历与才智,是世界科研协作的模范。以日本产总研在丈量球体直径时使用的激光干与仪为例,即使精度远远高于光学设备厂商的日常出产所需,关于设备厂商而言缺少有用含义。厂商依然协助产总研完成了这一超高精度设备的定制开发。

而且,根据它所取得的普朗克常数作为基布尔秤丈量效果的参照值,取得了意料之中的高符合度。科学家们总算能够振振有词的用普朗克常数来从头界说千克,真实完成“适用于万民万世”的抱负。


作者 | [中]张昊 日本大阪大学工业科学研讨所 助理教授
审稿 | 董二宝 我国科学技能大学精密机械与精密仪器系 副教授
责编 | 高佩雯
文章由腾讯科普“科普我国头条创造与推送项目”团队推出
转载请注明来自科普我国

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宣布于 2019-5-21 11:10:47 | 只看该作者
虽然没看懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
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宣布于 2019-5-23 14:21:51 | 只看该作者
虽然没看懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
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宣布于 2019-5-24 14:11:42 | 只看该作者
虽然没看懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
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宣布于 2019-5-24 15:00:38 | 只看该作者

虽然看不懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
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宣布于 2019-5-24 16:58:27 来自手机 | 只看该作者
向科学家们问候!感谢作者的转发!!
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宣布于 2019-5-24 20:09:53 来自手机 | 只看该作者
科学无国界,为人类科技前进感到自豪
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宣布于 2019-5-25 08:55:59 | 只看该作者
为人类科技前进的科学家们问候!
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宣布于 2019-5-27 13:35:44 | 只看该作者
虽然看不懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候!
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宣布于 2019-5-28 09:32:56 | 只看该作者
什么时候有我国科学家的身影啊。美国一镇压就显着感觉咱们基础科学路还很长,改革开放这几十年对基础科学仍是不注重。
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宣布于 2019-5-28 09:57:26 | 只看该作者
尽力看了但是看不懂,基础科学的研讨负重致远
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宣布于 2019-5-28 15:05:27 | 只看该作者
虽然没看懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
13#
宣布于 2019-5-28 16:42:42 | 只看该作者
虽然没看懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
14#
宣布于 2019-5-28 16:50:09 | 只看该作者
太厉害了,极大立异
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宣布于 2019-5-30 11:21:37 | 只看该作者
十分感谢,巨大的立异
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宣布于 2019-5-30 11:31:59 | 只看该作者
虽然没看懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
17#
宣布于 2019-6-11 09:11:22 | 只看该作者
太深邃了,表明看不懂,应该让孩子学习一下。
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宣布于 2019-8-15 14:36:29 | 只看该作者
虽然看不懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候!
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宣布于 2019-10-18 19:55:00 来自手机 | 只看该作者
7个世界基本单位要变了。
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宣布于 2019-10-24 13:55:11 | 只看该作者
虽然看不懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候!
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宣布于 2019-10-24 15:40:05 | 只看该作者
虽然看不懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
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宣布于 7 天前 | 只看该作者
虽然看不懂,仍是要向为人类作出贡献的一大批科学家问候。
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宣布于 6 天前 | 只看该作者
高准确度的丈量比登天还难。
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