探析長度單位的定義發(fā)展和復現方式

西安黃河機電有限公司計量處 李家俊 王 軍

探析長度單位的定義發(fā)展和復現方式

西安黃河機電有限公司計量處 李家俊 王 軍

長度單位米的建立經歷了一百多年的歷史，從一個自然基準到實物基準，又從實物基準到自然基準的變化，其不確定度由原來的1×到現在的1×。在現代米的新定義下，可以采用天文、大地等測量工作的復現方法；實驗室計量工作的復現方法和用于一般測量工作的復現方法三種方法進行米的定義的復現。

幾何量；子午線；復現；米原器；不確定度；Kr光譜；國際計量委員會；光波；躍遷；輻射；真空

幾何量計量又稱長度計量，是我國起步比較早，發(fā)展比較快，技術比較成熟的一門科學。我國是一個著名的文明古國，有著光輝燦爛的古代文明，計量測試技術就是這個文明的重要組成部分，而作為計量學中的幾何量計量更有著悠久的發(fā)展歷史。早在商代，我國即開始有象牙尺，秦始皇統(tǒng)一度量衡制，已有互換性產生的萌芽，這從世界第八大奇跡兵馬俑出土的箭族的弩機已得到證實。公元1600年前后，我國就開始發(fā)展長度和計時計量。而長度計量即幾何量計量的基本單位就是米。

國際單位制選擇了彼此獨立的七個量作為基本量，第一個就是長度。它的基本單位名稱是米，符號是m。米是長度的SI基本單位名稱，長度、寬度、厚度、半徑、周長、距離等物理量的單位，都是用米或它的十進倍數單位來表示的。

計量單位是人們選定的用于計量某類可測量大小的一種尺度，它的量值由該單位的定義決定。體現單位定義所給定的量值，具有最高準確度的實物標準，叫做該單位的計量基準。

為了保證計量單位的量值固定不變，在確定計量單位的定義時，應當采用客觀存在的固定量作為賦值的標準，通常可供選用的固定量，有以某一實物所具有的量作為標準的，稱為實物標準；有以自然界天然存在的量作為標準的，稱為自然量標準。

長度是人們最早認識和使用的一個物理量。自法國人建立米制至今，長度基本單位米定義的建立，經歷了一個從自然基準到實物基準，又從實物基準到自然基準的過程，發(fā)展過程可以分為四個階段。

1790年法國國民議會采納了達特蘭提出的“以經過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一為一米”的建議。1799年巴黎科學院完成了從法國的敦爾克經巴黎到西班牙的巴爾雪隆納這一段子午線的實測工作，并根據這一長度而制作的白金桿尺來復現米的量值，按測量結果所得的1m長度制作了這支米尺，就是世界上第一個“米”定義的實物標準——檔案米尺。于是世界上最原始的米尺從此誕生了。

以地球子午線弧長命名的定義的米，精度低、復現又困難，原始米尺的測量面又易于磨損。因此在1875年的國際米制會議上，對米作了新的定義，按檔案米尺長度制作的國際米原器取代檔案米尺，作為國際長度計量標準。同時在1889年第一屆國際計量大會上，將米定義改為：“米的長度是在標準大氣壓下0℃時，米原器上兩根刻線間的軸向距離?！?/p>

考慮到原始米尺的受損原因，國際米原器在材料選用和米原器的結構上采取了一系列的措施，以使米原器具有更為優(yōu)越的性能。國際米原器由90%鉑和10%銥的合金制成，這種合金具有良好的分子穩(wěn)定性、較高的硬度、彈性和異常高的抗氧化性能。米原器的結構呈X型結構，這種截面結構的特點是，可用最少的材料取得最大的剛度，而且它與周圍空氣有最大的接觸面積，可使溫度迅速達到平衡狀態(tài)。并規(guī)定米原器應支撐在白塞爾支撐點上，以確保其變形最小。

以實物基準國際米原器定義的米，仍然存在著許多問題，不僅因為米原器這樣的實物存在著遭受損壞和丟失的可能，而且因為刻線工藝和測量方法等方面的不完善，使得米原器的復現精度只有0.1微米，傳遞起來也不是很方便，又無法判定米原器本身的長度變化。國際米原器雖然在發(fā)展米制和統(tǒng)一長度量值方面起了巨大的作用，但它無法適應科學技術的迅速發(fā)展，0.1微米的精度根本不能滿足現代科學技術的要求，伴隨著物理學的進一步發(fā)展，利用光波波長來精密測量的干涉測量技術法被進一步的廣泛應用，因此這便出現由刻線尺作米的定義轉化為以自然基準的新的米定義之客觀需要。

為了滿足上述要求，各國都進行了這方面的研究工作，并試圖以光波波長代替鉑銥合金制成的國際米原器，而將來用光波波長的形式來表示最初提出采納用鈉(Na)的黃譜線作為基準譜線，接著有提出采用水銀(Hg)的綠譜線的，以后由邁克爾遜提出采用鎘(Cd)紅譜線作為基準譜線，各國的計量工作者都先后作了相應的一系列的試驗和研究，認為將米尺用光波波長的形式來表示是可以的。1895年第二次國際權度大會上確定了光波波長為米的自然證明基準，而于1927年第七次國際權度大會上公認鎘紅譜線的波長與米尺的比值為：在標準狀態(tài)下，一米等于1553164.13個鎘紅譜線的波長，即鎘紅譜線的波長的長度是0.64384696微米。以后一些國家的計量機構又利用能得到更精確的單色譜線之同位素的輻射作為基準光源的問題進行了研究，在前蘇聯以及英美等國家進行了對鎘的同位素114(Cd)水銀的同位素198(Hg)和氪的同位素86(Kr)都做了研究工作，認為其所發(fā)出的譜線較之鎘紅譜線具有更多的優(yōu)越性，因此為建立更高準確度的長度自然基準提供了新的可能性。1948年第九屆國際計量大會認為采用光的輻射波長作為米的新定義使長度基本單位具有更高的準確度已到了無可爭辯的地位和不可毀滅性，且建議各國較大的計量機構對以上的元素所輻射的譜線進行研究，建立米的新定義。為此1952年國際計量會議還專門成立了確定米的新定義的專門委員會。

1954年的第十次國際計量大會上，許多國家都作了關于以上幾種同位素輻射譜線性質的研究工作的報告，闡明了Cd的紅譜線、Kr的黃譜線和Hg的綠譜線的外形及對稱性等性能。但由于究竟采用哪一種元素的輻射譜線代替國際米原器作為長度的自然基準乃是一個較復雜和有爭議的問題，它所涉及的范圍很廣，如對于譜線的寬度、視見度、對稱性、干擾、元素的提純、測量時的條件等，還必須作深入的研究和比較，故國際權度會議確定在第十一次國際計量大會(1960年)前，仍保留米的原先的定義。

1957年國際權度局組織了新的米定義專門委員會第2次常委會，各國計量實驗室對上述研究課題的報告結果表明，存在的問題主要有兩個方面：

(1)光譜線的波長和變化的更準確測量；

(2)用法布里—珀羅標準及邁克爾遜干涉僅確定干涉環(huán)視見度的兩種方法來確定光譜線的外形。

同時對譜線的外形也作出了如下的結論：

(1)譜線的寬度：在最好的條件下所得到的譜線寬度已可以區(qū)別出Kr、Hg及Cd的價值次序，并且按照多普勒的理論效應也得到同樣的次序，即Kr的輻射線細于Hg的輻射線，而Hg的輻射線又細于Cd的輻射線；

(2)對稱性：Hg中最好的輻射綠線譜，當冷卻水保持20℃時，仍不對稱，而Kr的光譜線其對稱性是完善的；

(3)干擾：發(fā)現Kr較好的光譜線較之Hg較好的光譜線較少受到破壞。

為此根據這三個研究因素—譜線的寬度、對稱性和不大的干擾性均對于Kr有利，故國際權度局認為Kr的橙黃譜線是目前已知最好的波長；且現個已能得到保證精度在的輻射，它們能夠決定米而大大精確于鉑銥米原器。因此在1958年的國際權度委員會常委會上，新的米定義專門委員會提出了關于從以鉑銥合金國際米原器作為米的定義過渡到以自然基準坐基礎的新定義的決議草案提交即將召開的十一屆國際計量大會。

到1960年，研究取得顯著成果：已探明Kr橙黃譜線具有最窄的和最對稱的輻射譜線，它能在最小擾動下產生，并可用其他方法進行測量，而且這一單色光譜線的波長值，只與其輻射頻率和真空中的光速有關，如果光速為一定值，則波長就是一個不隨時間變化的值，因而可以在任何時間、任何地點按其產生的條件加以復現，適于作為新定義的自然標準。故而在十一屆國際計量大會上通過了“米的長度等于Kr原子的2P和5d能級之間躍遷所對應的輻射在真空中的波長的1650763.73倍”這一定義.根據上述定義，該譜線在真空中的波長值λ=(1/1650763.73)m=0.605780201微米，復現米這一定義的計量基準是Kr同位素光譜等裝置。

1982年國際計量委員會鑒于原有的米定義已不能適應一些測量工作的準確度要求，在當年6月召開了第七屆米定義咨詢委員會和第八屆單位咨詢委員會上，審議和通過了這兩個委員會組成的聯合工作組所提出的更改米定義的具體建議。

早在1962年，米定義咨詢委員會就曾號召有能力的國家進行有關用激光取代先行長度基準的研究。這是因為自激光問世以來，由于激光具有方向性好、單色性好和光強大的特點，特別是激光輻射的光譜寬度可以小到0.0001m(相當于30kHz)，在用干涉法測量長度時，即使光程差大至幾千米的距離，仍然可以觀察到對比非常清晰的干涉圖象。這樣一些特點顯示出激光比Kr原子輻射譜線要優(yōu)越得多，但是在當時激光頻率的穩(wěn)定性和復現性問題尚未得到解決。經過幾年的努力，已經掌握了激光的一些穩(wěn)頻技術，包括利用蘭姆凹陷穩(wěn)頻、甲烷吸收穩(wěn)頻、信號發(fā)生器與壓電陶瓷調制穩(wěn)頻技術。因此在1983年召開的第十七屆國際計量大會上，批準了米的新定義：“米是光在真空中在(1/299792458)秒的時間間隔內所經路徑的長度。”同時也意味著原來米的定義氪—86光波波長作為復現米的基準已被廢除。

我們現在簡單的總結一下長度基本單位米的定義經歷的四個階段。

第一階段：米的定義為“地球子午線長的四千萬分之一。”

第二階段：在1889年9月20日，第一屆國際計量大會根據瑞士制造的米原器，給米定義為“標準大氣壓0℃時，巴黎國際計量局的截面X形的鉑銥合金尺兩端刻線記號間的距離?！?/p>

第三階段：在1960年10月的第十一屆國際計量大會上給米下了第三次定義：“米等于Kr原子2P和5d能級間的躍遷輻射在真空中的1650763.73個波長的長度。”

第四階段：就是現在的米的定義，是在1983年第十七屆國際計量大會定義的，為“光在真空中（1/299792458）秒的時間間隔內所經路徑的長度。”第三階段以自然基準代替實物基準，這是計量科學的一次革命。用光波波長定義米的主要優(yōu)點是穩(wěn)定、不受環(huán)境的影響，只要符合定義規(guī)定物理條件，就能得到復現。在特殊的技術條件下，氪86用起來很困難，仍不是科學家理想的“米原器”，在用了23年后就被淘汰了。米定義的每次變化，都使得其復現的不確定度進一步減小，第二階段米定義的不確定度是1×，第三階段米定義復現不確定度是1×第四階段米定義的復現不確定度達到了1×。經過了一百多年，米的定義由宏觀自然基準到實物基準，然后又發(fā)展到微觀自然基準的四個階段，并且正在向不確定度更小的微觀自然基準方向發(fā)展。

新的米的定義可以采用以下三種方式復現：

(1)用平面電磁波在真空中、在時間間隔t內所行進的路程長度l復現。這是一種直接由定義復現米的方法，只要精確測出電磁波行進的時間t，就可以利用關系式l=ct求出長度值l，式中真空光速值已規(guī)定為c=299792458m/s。很早以前人們就通過時間來測量距離了，并在天文大地測量中被廣泛應用，現在只不過是以更高的精確度來復現米和進行長度測量。這一復現方法也稱之為“飛行時間法”，它對天文、大地及航天技術中的大長度測量有著明顯的優(yōu)點，如能進一步提高測距儀的時間測量準確度，大尺寸的測量可擺脫線紋尺及干涉儀的束縛而獨立出來，大大減少了傳遞的層次。

(2)用頻率為f的平面電磁波的真空波長λ來復現。這種方法稱為“真空波長法”。在實際使用時仍然可以應用傳統(tǒng)的光波干涉法，但應指出的是這里的波長不是與Kr基準波長相比較得出的，而是通過測出該電磁波（當然包括可見光波在內）的頻率值，并應用關系式λ=c/f求得的波長值，式中的光速c仍為299792458m/s。

(3)直接應用米定義咨詢委員會(CCDM)推薦的五種穩(wěn)頻激光系統(tǒng)復現米定義。在CCDM推薦的幾種輻射中，包括五種飽和吸收穩(wěn)頻激光輻射和幾種早已在長度計量中廣泛應用的同位素光譜燈輻射。比如甲烷吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射；碘吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射；碘吸收穩(wěn)頻的染料激光或1.15微米氦氖激光的倍頻輻射；對應于Kr原子在2P和5d能級間的輻躍輻射；Hg和Cd原子的輻射。新米定義的正式批準意味著Kr光波作為復現米基準已被廢除，但它并不排斥Kr以及它同位素光譜燈的繼續(xù)使用，也不降低它們的精度。

以上闡述了長度計量中基本單位米的變遷和復現過程，有不到之處歡迎廣大讀者指正批評，謝謝大家。

王軍，男，陜西長武人，工程師，西安黃河機電有限公司計量處處長。

李家俊（1965—），男，江蘇揚州人，工程師，西安黃河機電有限公司計量處長度計量主管。