阿伏伽德罗硅球计划

来源:©Andrew Brookes,国家物理实验室/科学图库

在这个项目中使用了几个硅球来重新定义摩尔。这些球体很可能是人类制造的最圆的物体——或者是宇宙中存在过的最圆的物体——通过计算这些球体中的原子数量,研究人员能够得出一个新的、高度准确的阿伏伽德罗常数值

今天标志着我们所熟知的计量单位的终结。在法国凡尔赛举行的会议上,来自60个国家的代表一致同意修改基本单位的定义,从现在开始,将它们与基本的自然法则联系起来。

他说:“这是非常激动人心的一天,整个测量界在过去30年里一直努力到今天。JT詹森他是英国计量研究所国家物理实验室(National Physical Laboratory)的研究主管。“已经等了这么长时间了,现在是时候开始进行新的测量了。”

这一决定终结了千克之王的统治,也就是有140年历史的铂铱圆筒大K.最初的千克被保存在巴黎的一个保险库里,地球上所有的质量测量都可以追溯到它。

Système国际'unités国际计量系统(SI)诞生于1875年,旨在标准化各个国家和学科的测量系统。它取代了centimetre-gram-second系统在此基础上,在19年期间出现了各种令人困惑的单位th世纪。

公制由千克、米、秒、开尔文、安培、摩尔和坎德拉这七个基本单位组成。尽管从历史的角度来看,选择这七个是有原因的,但科学家们在设计这个系统时,尽可能少地使用基本单位,但仍然足以衍生出所有其他单位。

22个si衍生单位都有自己的名字,包括焦耳、伏特、摄氏度和牛顿。所有其他的单位,如米每秒的速度,只是保留他们的基本单位名称。“但一旦我们重新定义了国际单位制单位,基本单位的概念就消失了,因为我们只有基本常数,每个单位都是从这些基本常数推导出来的,”詹森解释道。

自1960年米制被淘汰以来,千克一直是依赖于实物制品的最后一个单位。但随着质量测量变得越来越细致,科学家们开始担心圆柱体的质量变化。即使是微小的质量漂移——例如,由于粒子的沉积——也会改变整个单元。

1999年,计量学家们同意将千克与普朗克常数联系起来。作为一个源于自然的量子力学数,常数将——或者人们希望如此——在宇宙的持续时间内保持稳定。与此同时,他们还决定彻底检查其他三个单位——安培、开尔文和摩尔——并将它们与自然常数联系起来。

虽然这些单位中没有一个像千克那样急需改变,但重写这四个核心测量单位的定义将使它们独立于具体的实验。安培的旧定义是基于一个不可能实现的设置,而开尔文和摩尔则依赖于特定的物质(见图表)。
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为什么千克在变化?
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以高精度和高精度确定常数的数值是计量学家努力的核心——一旦这些值被包含在定义中,它们就变得不可更改。在过去的十年里,研究人员进行了复杂的实验,包括计数1kg纯硅球中的原子(摩尔的重新定义)用电磁力称物体(千克)和用声波确定氦原子的速度(开尔文)。

尽管在这个项目中付出了巨大的努力,但这些单元的重写在现实世界中不会有什么不同。只有在一些特定的情况下,比如超高或超低温度,新的定义才会简化测量。

这一变化将于2019年5月20日世界计量日正式生效。与此同时,科学家们已经在寻找下一个重新定义。这一次,他们希望解决第二个问题,利用更新的原子钟.詹森解释说:“这些时钟的滴答速度快了1000倍,所以你可以制造出一个精确1000倍的时钟。”但计量界的发展非常缓慢,因此至少还需要10年时间才能实现这一目标。

他们是如何成长的?旧单位对新单位

千克(kg) -质量

旧:由金属圆柱体的质量定义-大K-被关在巴黎的一个保险库里

新:由普朗克常数定义h(6.626 070 15×10−34kgm2/s),一个量子力学量,将质量与能量通过Emc2h与质量相连E = hf

开尔文(K) -温度

旧:由水的三相点的一个分数定义,即水的固、液相和气相共存的温度(0.01°C)

新:由玻尔兹曼常数定义k649(1.380×10-23年J/K),它将温度与粒子动能联系起来

安培(A) -电流

旧的:定义为在真空中间隔1米放置的两个长度无限大、圆形横截面可忽略的平行导体中恒定电流

新:由基本电荷定义e(1.602 176 634×10−19A s),它与每秒载流子的数量有关

摩尔(mol)——物质的量

旧:由0.012千克碳-12中基本实体的数量定义

新:由阿伏伽德罗数定义N一个.一摩尔现在正好含有6.022 140 76×1023基本实体