真空泵與質(zhì)量單位全新定義之間的緊密關系，你知道嗎？

對自然科學有所了解的朋友都知道，七個基本單位是：長度(米)、質(zhì)量(千克)、時間(秒)、電流(安培)、熱力學溫度(開爾文)、物質(zhì)的量(摩爾)和發(fā)光強度(坎德拉)中，而這其中的千克是個特順的存在-2018年秋季之前它是由真實物體來定義的單位，即保存在法國巴黎的國際千克原器（IPK）。2018年秋季之后，情況有所改變：質(zhì)量的全新定義將基于自然常數(shù)。為此所需的實驗基本步驟則必須在由真空泵產(chǎn)生的真空環(huán)境中進行。

大小接近網(wǎng)球、銀色、幾乎完美的圓形球體-這就是取代巴黎IPK鉑銥合金圓柱體的水晶球，它是由科學家用高純度的硅制造而成，其重量完全等于之前的千克原器。

物體在真空中更輕

為了比較硅球與千克原器的質(zhì)量，科學家在大氣條件和由真空泵產(chǎn)生的真空環(huán)境下對它們分別進行稱重。真空中的測量不會受到空氣浮力和對流的影響，其測量結果與在大氣壓下相差不大。由于空氣中的微小顆粒將沉積在物體表面，使得真空環(huán)境中的物體會稍微輕一點，因此給水晶球進行稱重時，這些顆粒實際上可能產(chǎn)生近10微克的平均偏差。


為了設計出一個無偏差的公式來重新定義“千克”這個基本單位，物理學家必須確定球體中硅原子的數(shù)量。借助與非常精確的球形和完美的晶體結構，可以精確計算得出。 但是為了達到所需的理想精確度，研究人員在1億個原子中錯算的原子數(shù)平均最多不能超過一個。如果實驗獲得成功，則千克的重新定義可以基于一個自然常數(shù)：硅28的原子量。

利用真空泵產(chǎn)生的真空確保純度

為了能準確確定原子數(shù)，硅必須非常的純凈。因此，單晶硅的固體必須在真空中生長以確保完美的質(zhì)量。為此，需要將純凈且均質(zhì)的硅放入拉晶機坩堝中，并加熱到熔點以上幾度。然后將一個小的高純度單晶（也稱為種子晶體）放入熔融質(zhì)量中。液態(tài)硅將在種子晶體上固化，并在此過程中繼續(xù)建立其常規(guī)晶格結構。通過緩慢旋轉(zhuǎn)和向上的移動，圓柱形的水晶柱逐漸形成；之后，硅球?qū)乃е媳磺懈钕聛怼?br />
以這種方式制造并隨后拋光的球體結構幾乎達到完美的狀態(tài)：球體任何位置的直徑差均不超過100納米。如果以這種比例遷移到地球，那么任何一座山的高度都不會超過五米。

歷經(jīng)兩年的測量實驗

為了確定體積，必須用光學方法來精確測量硅球表面上大約一百萬個點。研究人員采用X射線干涉儀確定晶格中原子之間的準確距離。獲得此項數(shù)據(jù)后，可以從理論上計算出適合該體積的原子數(shù)量。

硅球的內(nèi)部由常規(guī)晶格組成，但是在表面上形成了一層二氧化硅SiO₂。這層SiO₂會影響球體的質(zhì)量和體積，因此物理學家必須準確地測量出其厚度，并在計算時將其造成的影響考慮在內(nèi)。之后，通過X射線熒光光譜和光電子能譜來分析球體，這個過程也需要在由真空泵產(chǎn)生的真空環(huán)境中進行：開啟真空泵，產(chǎn)生約10^-8mbar的超高真空系統(tǒng)，再將球體置于其中進行分析，這樣就沒有空氣顆?？晌展庾雍碗娮?，并且光子和電子也可以不受阻礙地到達探測器。
研究人員歷經(jīng)了兩年時間，完成了對水晶球的測量，使得延續(xù)了近130年時間的千克原器最終于2018年秋被取代的，是一顆直徑正好為9.37厘米，重量為1.000045904kg±0.000055克、看起來五黑通透的球體。新的標準已經(jīng)于2019年5月20日起正式實施。

延伸閱讀：科學家為什么要取代之前的千克原器？？

如今，大多數(shù)的測量單位都是由包含不變常數(shù)的公式確定的。 例如，米的定義是光在真空中一秒內(nèi)傳播距離的1/ 299,792,458，而秒的定義為銫原子振蕩9,192,631,770次所需的時間。

千克原器的重量會逐漸損失

在2018年之前，千克仍是基于真實質(zhì)量-千克原器的計量單位。而問題是，如果此原器損壞或丟失，則無法被替代。此外，千克原器的鉑-銥合金圓柱體會隨著時間的不斷推移而逐漸損失其重量：自被制造出以來，它已經(jīng)損失了將近50毫克，這是通過將它與分發(fā)到全球測量機構中的復制品進行比較后發(fā)現(xiàn)的。千克原器質(zhì)量損失的原因尚未形成最終結論，可能的原因之一就是清潔過程造成的。而使用基于自然常數(shù)的全新質(zhì)量定義將會完全解決此問題：必要時，人類可以隨時精確復制1千克的參考質(zhì)量。

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