1千克有多重?

来源 :大科技·科学之谜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wpsx236
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  在法国塞夫勒国际计量局里,每年都会有三个人分别拿着一把钥匙来到储藏室,共同打开一个三层锁的保险箱,共同看一眼一个储存在三层玻璃罩里的光亮圆柱体。
  他们看的圆柱体到底是什么宝贝?看一眼都如此谨慎小心?
  质量砝码不准了
  原来,这圆柱体虽不是多么神秘的物件,但却是全球共同呵护的珍贵物体。它就是全世界人称量质量时需要的衡量标准——被认为最标准的1千克的砝码,叫做“千克原器”。世界各国的千克砝码都要与它比对,确认与它的质量一致,才会被认为质量是准确的,才能用于在各地称量质量。
  但即使这般小心地呵护千克原器,它还是出现了问题。
  情况是这样的。1千克被定义为1000毫升纯水在4℃时的质量,但水是流动的,精确称量1000毫升纯水,非常麻烦。于是为了方便,在100多年前,人们按照定义,用耐腐蚀的铂铱合金制造了千克原器,还制造了40多个同千克原器一模一样的复制品,都是铂铱合金制成,都是直径和高度为39毫米的圆柱体,都储藏在三层玻璃罩中,然后放入保险箱。只是千克原器储藏在国际计量局里,其他复制品储藏在其他各国的相关地方,用于各国计量质量用。每隔50年,工作人员就要把千克原器取出来,与复制品进行比对,看看是否出现了什么偏差。
  令人头疼的是,每次比对,复制品普遍比千克原器质量增大一点,有的增大得多一些,有的增大得少一些,只有一两个出现质量减少的情况。最近的一次比对,复制品们平均起来的质量比千克原器大了50微克。
  这真让人难以理解,同样的材质,同样的储藏环境,为什么会有这样的偏差?到底是千克原器变轻了,还是复制品变重了?
  科学家的分析是,既然铂铱合金不会被腐蚀,那质量就不会减少,很可能合金吸收了很多空气分子,导致自己质量增大了,也就是说,很可能这些砝码都变重了,只是千克原器变化小一些。如果真是这样,那可就麻烦了,这100多年里,我们使用的质量砝码到底增重了多少?没有人矫正过。
  该把千克托付给谁?
  看来,我们用保存千克原器这种形式来保护质量计量的标准,很不可靠。虽然50微克对于我们的生活来说几乎可以忽略不计,但对于某些需要精准称量的行业却是不小的偏差,甚至会导致错误的结论。而且质量还是一个牵一发而动全局的问题,千克原器不准不仅仅影响质量测量,与质量相互关联的很多物理量都会因此而变得不准。
  例如,力的单位是牛顿,1牛顿被定义为:让1千克的物体获得1米/秒2的加速度的力,因此力的单位就会受到质量的影响;能量的单位焦耳又是根据力来定义的,因此能量的单位也会间接受质量的影响。这样牵连下去,如果质量的单位不准,电流、磁场、压强等很多物理量都会受影响。
  之前,人们曾用米原器来作为长度称量的标准,米原器同样存在千克原器那样的问题,会随着时间而增长或缩短。后来换成了以光速为标准,那就是1米等于光在真空中299792458分之1秒的时间里所走的距离,真空中的光速被认为是不变的常数,以常数作为1米的标准,那么1米的长度就不会变化了,用激光当尺子不仅方便,而且精确度比米原器提高了千万倍!
  时间的称量也有了更精准稳定的称量标准,那就是以铯原子的振动频率为标准,1秒等于铯原子振动9192631770次所用的时间。每一种原子都有自己特有的振动频率,因此铯原子的振动频率也可以认为是一个常数,铯原子钟可以做到走时1500万年都不差1秒。
  如果能为质量找一个可以依托的常数作为标准,科学家就再也不用担心1千克会发生变化了。
  普朗克常数可以吗
  我们不禁要问,什么常数与质量有关呢?
  上面已经说过,质量测量得不准,电流的测量也会受影响,电流的测量又与普朗克常数有关,如果我们把质量与电流的关系找出来,不就可以把质量与普朗克常数联系起来了吗?这样,千克不就找到了它可以依托的常数了吗?
  那么质量可以与电流扯上什么关系呢?科学家设计出一种电磁天平。其中称量物体质量的托盘连接着圆环线圈,圆环线圈环绕着圆柱形超导磁体。称量质量时,被称物体放入托盘,托盘就会受到向下的力,有向下运动的趋势。为了让托盘保持不动,就需要有一个向上的力来抵消物体的重力。
  这时,只需要给线圈通入合适的电流,根据安培定律,磁体就会对线圈产生向上的电磁力,线圈又与托盘相连,因此可以抵消物体的重力。线圈受到磁体的电磁力大小与线圈的长度、磁场强度和电流大小有关,其中,磁场大小和线圈长短是固定的,因此这个电磁力大小就与通入的电流大小成正比了。经过这样一番变换,就可以把物体质量大小与电流大小联系起来了,物体的质量越大,需要通入的电流就越大。
  质量与电流的这个关系找到了,质量与普朗克常数之间的关系就找到了。但是普朗克常数目前还不够精确,需要把它测准了,它才能担当起标准千克砝码的重任。目前测量普朗克常数,科学家也是用上面的电磁天平,因为质量与普朗克常数和电流有关,如果质量已知,例如用标准的1千克,电流又已知,可以精确测出来,那么普朗克常数就可以算出来了,结果更准确。
  普朗克常数测准了,就可以用普朗克常数来表示1千克了。
  阿伏加德罗常数可以吗
  除了普朗克常数之外,物体的质量还可以有其他的表示方法,比如,它与物质含有的原子个数(化学上叫物质的量)有关。
  计算物质的量,需要用到一个常数,化学上叫“阿伏加德罗常数”,它表示的是12克碳-12所含有的原子个数。如果把千克与这个常数联系起来,这个常数也可以成为千克可以依托的常数。
  千克与这个常数之间的关系似乎很好找,1千克可以这样描述:1000?12乘以阿伏加德罗常数个碳-12原子所具有的质量,就得到了1千克。
  但是,阿伏加德罗常数目前还是个估测值,约是6.022×1023,也就是说,12克碳-12到底是多少个,科学家没有精确数过。其实较精确地数出原子个数,科学家还是有办法的,用X射线干涉仪测量原子之间的距离,就可以根据体积算出原子个数。
  但是现实中,碳-12与其他同位素例如碳-14等是混合着的,把它们分开非常难。因此以碳-12作为标准,难度很大。现在半导体行业很发达,硅的提纯很容易,于是科学家想到了用硅-28作为称量标准,那么1千克就表示为:1000?28乘以阿伏加德罗常数个硅-28原子所具有的质量。
  下面就是如何把阿伏加德罗常数测准的问题了,为了测量阿伏加德罗常数,科学家把硅提纯到99.995%,把硅抛光成一个世界上最圆的球,然后用X射线干涉仪算出硅圆球含有多少个硅原子,再用标准质量测出硅圆球的准确质量。这样,质量已知了,原子个数已知了,求阿伏加德罗常数,通过上述关系,计算就可以了。要想测得更准,就需要用标准质量,并且把原子个数测得更准,得出的阿伏加德罗常数就会更准。
  测准阿伏加德罗常数后,质量的标准就再也不需要那个倍受呵护的千克原器了。
  千克标准到底在哪里
  这些方法都很好,但是现实中真正去测的时候,还是困难重重。例如普朗克常数的测量牵扯到电磁天平是否够灵敏的问题,天平不够灵敏,测出的常数也就不够准确,就不配用于作为千克标准。阿伏加德罗常数的测量也存在硅圆球是否是真正的圆球,它的表面还容易被氧化等问题。因此目前测出的阿伏加德罗常数也有很大的误差。
  如何测准这些常数呢?或者是否在其他常数中,为千克找个可依托的常数?科学家还在努力中。千克标准的寻找确实困难重重,但科学家总是办法多多,一计不行可以再生一计,最终,他们一定会给我们提供准确而且万年不变的千克质量标准。
其他文献
目的分析基于家庭医生签约服务的社区血脂异常强化管理的效果。方法2014年12月,在杭州市3家社区卫生服务中心就诊的年龄≥18岁的血脂异常患者1 267例,其中干预组645例(男性311例,女性334例),对照组622例(男性307例,女性315例),干预组采用基于家庭医生签约服务的分级随访和个性化诊疗的社区血脂异常强化管理,对照组采用一般的社区血脂异常管理,经12个月的干预后,采用χ2检验或t检验
水环境容量是水环境容量是水体能被继续使用并保持良好生态系统时,所能容纳的污水及污染物的最大能力,是流域环境规划、污染防治与环境管理的重要依据,而河流在整个生态系统中占
水体富营养化问题愈来愈严重,一般理化方法和工程措施都无法安全地从根本上解决富营养化问题。于是,越来越多的学者开始重视富营养化水体的生态调控,其中生物操纵法是最新应用最
本文选取位于青藏高原北缘的哈拉湖作为研究对象,能够较好地认识与理解近1000年来该地区的环境变化过程。  本文从2002年7月钻取的哈拉湖湖泊沉积岩芯3根中选取最长一根
我国目前的大气污染很大比例上是颗粒物污染,总悬浮颗粒TSP和PM10,这些颗粒物对环境和人体健康都非常有害。70年代初,我国开始重视对颗粒物污染源的控制。在实践的工作中不断总
有机污染物在自然水体中的颗粒物(悬浮颗粒物和沉积物)上的吸附行为对污染物的迁移、转化、归趋及生态风险等都具有重要的影响。黄河是我国北方的大河,也是世界上输沙量最大的
随着全球工业化的不断发展,引发的气候变暖与环境污染问题逐渐在当今世界可持续发展的道路上显现出来。在寻求全球碳库及新的环境吸附剂的过程中,生物质炭因其高度的化学与生物稳定性而逐渐成为人们研究的热点课题。作为一种有效的碳捕获与存储技术,生物质炭已经逐渐被人们看作为大气中CO2永久的碳库,此外,生物质炭具有高度的芳香化结构和大的比表面积,对环境中污染物的固定与生物有效性有着重要的影响。然而生物质炭仅保存
随着西部大开发迅速发展,贵阳市水资源供需矛盾日渐突出。鉴于水资源管理机构信息资源共享程度差、工作效率低等问题;同时,在水资源开发利用管理、职能部门技术处理过程中,由于水
在超临界流体中解聚废弃聚合物以获取具有较高附加值的化学单体或燃料是一种较新的废弃聚合物处理方法。介绍了超临界流体的基本性质及其在聚合物回收中的应用,综述了废弃轮胎