質量基準漫談

質量基準漫談

施昌彥

    計量涉及到人民生活的方方面面。例如在1995年底告別了北京公眾貿易市場的桿秤，以及取而代之的現代化的電子計價秤和雙面彈簧度盤秤等等。人們在天天接觸這些計量器具的同時，自然會想到，如何保證這些秤準確無誤呢？
    目前，國內外計量部門均用砝碼進行檢定秤的準確性。砝碼是否準確？可用天平進行檢定。天平是否準確？又用更準確的砝碼去檢定。更準確的砝碼是否準確？再用更準確的天平去檢定……如此上溯，最準確的源頭就是保存在中國計量科學研究院的國家質量基準——基準砝碼或千克(公斤)原器。這就是所謂的量值溯源或溯源性(treasibility)。
    各個國家的千克(公斤)原器，又要定期與保存在國際計量局(BIPM)的國際千克(公斤)原器進行比對。這樣，就可以保證國際上質量量值的一致、準確，從而促進國際科技交流和公平貿易。
    說到“千克”這個質量單位，國際上是在距今200年的1795年，從長度單位“米”來確定的，即1立方分“米”純水在最大密度時的質量為1“千克”。兩年后，法國根據這個定義制造了一個鉑圓柱體砝碼，保存于巴黎的國家檔案局并被稱為“檔案千克”(后來證明，它的實際值比定義值大28毫克)。
    國際米制委員會于1878年向英國的約翰遜(Johnson)、馬瑟(Matthey)和倫敦公司定制了三個鉑銥合金圓柱體砝碼，兩年后分別與“檔案千克”比對。其中質量最接近的一個，在1889年第一屆國際計量大會上被認定為“國際千克原器”。
    原器砝碼的形狀從理論上說應當是一個圓球，因為球的表面積最小，因而受外界的影響面也最小。但考慮到球的加工、調準和使用不便，最終采用高度和直徑均為39毫米的圓柱體。選用的材料是90%鉑和10%銥的合金，通過鍛造(后來用粉末冶金技術)，鉑銥合金的密度達到21.5克/厘米3，同時使其性能穩定和不易磨損。原器表面經過精細拋光(后來用激光拋光技術)，來減少凹處吸附和凸處磨損引起的質量增減。
    國際計量局根據千克原器的材質、形狀和要求，先后加工復制了一些副原器發售給米制公約的各成員，作為這些國家的原器或質量基準，放在三層玻璃罩內。由于它們的穩定性很好，各國千克原器與國際千克原器或其作證基準之間每隔三、四十年才比對一次。第一次比對于1899—1911年間，第二次比對于1948—1953年間。
    最近的一次是1989—1994年間進行的，有34個成員國的鉑銥合金基準砝碼和5個成員國的不銹鋼(含20%鎳和20%鉻)基準砝碼參與比對。結果表明，單個鉑銥合金砝碼的不確定度為2.3微克，而不銹鋼砝碼為15微克。我國1965年引進的第60號千克原器的質量被確定為1kg+0.295mg，而1984年引進的第64號作證原器的質量為1kg+0.251mg。
    眾所周知，由于砝碼材料密度不同，空氣浮力的影響也不同。在高精度計量中為消除這個影響，國際法制計量組織(OIML)推薦使用“在空氣中衡量結果的約定值”，即約定選取20℃時砝碼材料的密度為8000kg/m3。中國計量科學研究院主持研制的這種不銹鋼砝碼，因其密度非常接近約定值(8000.65—7999.81kg/m3)并磁化率極低(3.4×10-4)，而受到國際同行贊嘆。
    砝碼磁化率對衡量結果影響頗大，它使同一物品在機械天平和電子天平上測得的值相去甚遠，有時竟達數十倍(比如60倍)之多。降低現代砝碼磁化率，一直是計量工作者努力追求的目標。計量院主持研制的砝碼經國際計量局、德國聯邦物理技術研究院幾次測試證明，磁化率、密度和穩定性都很好。1995年10月在北京召開的第30屆國際法制計量大會上，國際法制計量局局長阿塔內先生在接受國家技術監督局李傳卿局長贈送的這種特制砝碼時，對中國的計量成就給予了高度評價。
    但是從基礎研究角度來看，在7個基本量中目前唯一剩下質量還沒有建立自然基準，質量單位仍然定義在國際千克原器上。這個原器全世界只能有一個，各國無法單獨實現千克，而且存在著損壞、污染的可能，量值難以達到固定不變。實際上，在第三次國際比對中已經發現清洗很難復原，對量值影響甚大。對過去的100年中，估計質量的變化達50微克，即5×10-8。此外，人們雖然在用原器定義宏觀的質量單位千克，卻又不得不以碳-12原子質量的1/12來定義微觀的質量單位“原子質量單位”，這樣就出現兩個質量單位如何協調一致的問題。
    鑒于這種人為性和局限性，長期以來人們一直在尋求用某種自然規律或某種物質特性重新定義質量單位，這是當前和21世紀計量學的重要研究課題之一。研究表明，迄今為止可能存在的多種選擇中有兩種方案比較現實。
    一種方案是利用一定數量的基本粒子，比如把1.097768……×1030個自由電子靜止時的質量定義為千克。這里的關鍵是通過精密測度硅單晶的晶格間距、密度和同位素，來提高阿伏加德羅常數NA的準確度。新近發展的掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的高分辨力和穩定性，使得顯現原子圖象及其個數成為可能；而皮米級氦氖激光測長干涉儀使得間距的準確度有可能達到10-9量級。
    第二種方案是利用重新定義后的電量，比如用電功率來定義力從而導出質量:千克為施加1牛頓的力使其產生1m/s2加速度的質量。這里的關鍵是研制將電功率(伏安)與機械功率(單位時間作的功)關聯起來的裝置，利用約瑟夫森(Josephson)效應確定電壓，利用量子化霍爾(Hall)效應確定電阻，進而確定力并定義質量單位。
    質量單位千克是國際單位制的SI單位，不是倍數單位，但卻帶著SI詞頭，這是很別扭的事。在國際單位制的所有SI單位中，只有質量單位由于歷史上的原因造成了這個例外。