質(zhì)量基準(zhǔn)漫談

質(zhì)量基準(zhǔn)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(mào)易市場的桿秤，以及取而代之的現(xiàn)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(zhǔn)確無誤呢？
    目前，國內(nèi)外計量部門均用砝碼進行檢定秤的準(zhǔn)確性。砝碼是否準(zhǔn)確？可用天平進行檢定。天平是否準(zhǔn)確？又用更準(zhǔn)確的砝碼去檢定。更準(zhǔn)確的砝碼是否準(zhǔn)確？再用更準(zhǔn)確的天平去檢定……如此上溯，最準(zhǔn)確的源頭就是保存在中國計量科學(xué)研究院的國家質(zhì)量基準(zhǔn)——基準(zhǔn)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(zhì)量量值的一致、準(zhǔn)確，從而促進國際科技交流和公平貿(mào)易。
    說到“千克”這個質(zhì)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(zhì)量為1“千克”。兩年后，法國根據(jù)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(zhì)量最接近的一個，在1889年第一屆國際計量大會上被認(rèn)定為“國際千克原器”。
    原器砝碼的形狀從理論上說應(yīng)當(dāng)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(diào)準(zhǔn)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(shù))，鉑銥合金的密度達(dá)到21.5克/厘米3，同時使其性能穩(wěn)定和不易磨損。原器表面經(jīng)過精細(xì)拋光(后來用激光拋光技術(shù))，來減少凹處吸附和凸處磨損引起的質(zhì)量增減。
    國際計量局根據(jù)千克原器的材質(zhì)、形狀和要求，先后加工復(fù)制了一些副原器發(fā)售給米制公約的各成員，作為這些國家的原器或質(zhì)量基準(zhǔn)，放在三層玻璃罩內(nèi)。由于它們的穩(wěn)定性很好，各國千克原器與國際千克原器或其作證基準(zhǔn)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(zhǔn)砝碼和5個成員國的不銹鋼(含20%鎳和20%鉻)基準(zhǔn)砝碼參與比對。結(jié)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(zhì)量被確定為1kg+0.295mg，而1984年引進的第64號作證原器的質(zhì)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(jié)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(xué)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(jié)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(yuǎn)，有時竟達(dá)數(shù)十倍(比如60倍)之多。降低現(xiàn)代砝碼磁化率，一直是計量工作者努力追求的目標(biāo)。計量院主持研制的砝碼經(jīng)國際計量局、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院幾次測試證明，磁化率、密度和穩(wěn)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(nèi)先生在接受國家技術(shù)監(jiān)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(chǔ)研究角度來看，在7個基本量中目前唯一剩下質(zhì)量還沒有建立自然基準(zhǔn)，質(zhì)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(xiàn)千克，而且存在著損壞、污染的可能，量值難以達(dá)到固定不變。實際上，在第三次國際比對中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)清洗很難復(fù)原，對量值影響甚大。對過去的100年中，估計質(zhì)量的變化達(dá)50微克，即5×10-8。此外，人們雖然在用原器定義宏觀的質(zhì)量單位千克，卻又不得不以碳-12原子質(zhì)量的1/12來定義微觀的質(zhì)量單位“原子質(zhì)量單位”，這樣就出現(xiàn)兩個質(zhì)量單位如何協(xié)調(diào)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(guī)律或某種物質(zhì)特性重新定義質(zhì)量單位，這是當(dāng)前和21世紀(jì)計量學(xué)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(xiàn)實。
    一種方案是利用一定數(shù)量的基本粒子，比如把1.097768……×1030個自由電子靜止時的質(zhì)量定義為千克。這里的關(guān)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(shù)NA的準(zhǔn)確度。新近發(fā)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(wěn)定性，使得顯現(xiàn)原子圖象及其個數(shù)成為可能；而皮米級氦氖激光測長干涉儀使得間距的準(zhǔn)確度有可能達(dá)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(dǎo)出質(zhì)量:千克為施加1牛頓的力使其產(chǎn)生1m/s2加速度的質(zhì)量。這里的關(guān)鍵是研制將電功率(伏安)與機械功率(單位時間作的功)關(guān)聯(lián)起來的裝置，利用約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)確定電壓，利用量子化霍爾(Hall)效應(yīng)確定電阻，進而確定力并定義質(zhì)量單位。
    質(zhì)量單位千克是國際單位制的SI單位，不是倍數(shù)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(zhì)量單位由于歷史上的原因造成了這個例外。