我國阿伏加德羅常數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)研究取得突破性進展

       阿伏加德羅常數(shù)是一個將微觀世界與宏觀世界關(guān)聯(lián)起來的基本物理常數(shù)。準確測量阿伏加德羅常數(shù)對國際基本單位--千克和摩爾的重新定義起著舉足輕重的作用，同時對于在原子、分子和量子水平上研究和解決計量基標準問題十分關(guān)鍵。目前，國際上阿伏加德羅常數(shù)的測定主要是根據(jù)完整晶格單晶硅的摩爾體積和單個硅原子的體積之比，通過準確測量單晶硅球的密度，單晶硅摩爾質(zhì)量和晶格常數(shù)來實現(xiàn)。
       近日，由中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合清華大學(xué)等國家重點科研機構(gòu)開展的“十一五”科技支撐計劃重點項目“阿伏加德羅常數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)研究”課題通過了國家質(zhì)檢總局組織的專家驗收。該課題組經(jīng)過4年的研究，建立了一套固體密度基準裝置，該裝置測量硅球直徑的準確度(優(yōu)于0.9nm)達到國際先進水平；通過構(gòu)建新的裝置和優(yōu)化工藝流程，使得自然豐度單晶硅摩爾質(zhì)量測量不確定度達到了 8×10-8，是目前國際上最高測量水平。該項目研究成果為我國建立摩爾計量基準奠定了重要基礎(chǔ)，為我國在基本物理常數(shù)研究方面爭得了國際話語權(quán)。
       據(jù)課題負責(zé)人、中國計量科學(xué)研究院羅志勇研究員和易洪副研究員介紹，該項目在國際上首次實現(xiàn)基于“機械掃描精密相移”原理和“新五幅算法”硅球直徑精密測量，整套系統(tǒng)的測量重復(fù)性優(yōu)于0.5nm，直徑測量準確度優(yōu)于0.9nm。設(shè)計的多層特殊管道布局真空系統(tǒng)，實現(xiàn)了“相位疊加效應(yīng)”和“溫度梯度補償效應(yīng)”的精密控溫，真空腔內(nèi)溫度長期穩(wěn)定性優(yōu)于1mK。
       在單晶硅摩爾質(zhì)量精密測量研究方面，課題組構(gòu)建了一套新的五氟化溴法制備四氟化硅樣品的實驗裝置，優(yōu)化了五氟化溴法制備四氟化硅的工藝流程，化學(xué)制備完全轉(zhuǎn)化，無分餾，在分子水平上混合均勻，污染更少；并提出了準確測量硅摩爾質(zhì)量的新判據(jù)。
       課題組通過研究五氟化溴法制備四氟化硅的工藝流程和堿溶法制備四氟化硅的工藝流程，發(fā)現(xiàn)了國際阿伏加德羅常數(shù)工作組所采用的堿溶法制樣過程中存在分餾效應(yīng)，并且準確測量了該分餾效應(yīng)的量值，揭示了X射線晶體密度法和功率天平法測量阿伏加德羅常數(shù)存在不一致的原因，在阿伏加德羅常數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了重要突破，為今后重新定義質(zhì)量基本單位千克和物質(zhì)的量的基本單位摩爾提供了技術(shù)支撐。
       目前，中國計量科學(xué)研究院開展的阿伏加德羅常數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容已成為國際阿伏加德羅常數(shù)合作項目的重要部分。通過與國際組織合作研究阿伏加德羅常數(shù)測量技術(shù)，將帶動我國大批尖端高新測量技術(shù)的發(fā)展（如：納米量級精密測量技術(shù)的研究、物質(zhì)的量精密測量技術(shù)的研究、體積和密度精密測量技術(shù)的研究等），同時對于建立和完善我國以基本物理常數(shù)為基礎(chǔ)的計量單位制體系、增強科技競爭力、培養(yǎng)高水平的科研人才具有十分重要的意義。