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用瓦特天平精确测量普朗克常数 ——重新定义千克

减小 增大 作者:本站整理 来源:本站通讯员 发布时间:2017-01-10

  在美国国家标准与技术研究院(NIST)最新型号的瓦特天平NIST-4 已首次完成了普朗克常数(h)的测量,结果是h=6.62606983×10-34 J·s。这一高精度的结果足以被用来准确地定义国际单位制中的“千克”。近130年来,千克的国际定义是基于一块铂铱金属,它存放在巴黎国际度量衡局(BIPM)。这个国际千克原器一直被认定是国际单位制(SI)的基础。尽管千克原器的保存环境受到严格控制,铂铱金属其表面仍不可避免地会发生氧化,从而导致质量损耗。科学界一直想用一种基于自然常数的定义来取代上述质量单位的人工制品定义。

  有7 个基本SI 单位:米、千克、秒、开尔文、安培、摩尔和烛光。其中6 个,已经是根据自然界基本常数定义。现在,尚未向自然基准转化,仍使用人工制品定义的SI 单位仅只有“千克”。科学界试图通过普朗克常数h 重新定义“千克”。按照量子力学,h 关联一个光子的能量和频率,进而通过爱因斯坦公式E=mc2能量又与质量相关。1975 年在英国国家物理实验室(NPL)瓦特天平的工作原理被提出,即应用电流在磁场中受力平衡被测质量所受的重力。具体而言,瓦特天平把借助于米、千克、秒测得的机械功率与借助于伏特、欧姆测得的电功率联系起来。电功率可以通过h精确测量,其中借助于两个量子力学效应:约瑟夫森效应和量子霍尔效应。最终瓦特天平将关联普朗克常数h和被测质量m。

  新一代瓦特天平通过电磁力平衡被测质量的重力。一个可移动的线圈悬浮在一个大块永久磁铁提供的磁场中;向线圈送入直流电,线圈作为电磁铁所受向上的力正比于该输入电流。或者说,线圈所受向上的力,它的大小可通过调节输入的直流电流控制。NIST-4 这次测量的不确定性远远低于预测,这意味着他们的研发进入了重新定义千克的轨道。原计划的不确定性是在200×10-9,实际达到的是20×10-9。为了2018 年实现重新定义,相关的实验必须分别达到所要求的高精度。所有的测值必须在95%的置信水平,同时也要求与替代“阿伏伽德罗”方法计算之结果相符,“阿伏伽德罗”方法是指通过计数超纯硅球体的原子数来测量h。


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