淺談質(zhì)量單位千克

黃愛(ài)軍HUANG Ai-jun；趙明澤ZHAO Ming-ze

（①天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192；②天津市津南區(qū)計(jì)量檢定所，天津 300192）

（①Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China；②Tianjin Jinnan District Metrological Verification Institution，Tianjin 300192，China）

0 引言

計(jì)量基本單位是農(nóng)業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)、科技產(chǎn)業(yè)等發(fā)展的基礎(chǔ)，其產(chǎn)生和發(fā)展都必須在保證基本單位統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性的前提下進(jìn)行。同時(shí)，計(jì)量單位還隨著物理量和化學(xué)量的發(fā)展變化而做出相應(yīng)調(diào)整和更新。國(guó)際計(jì)量單位制是在宏觀量的基礎(chǔ)上提出和制定的，符合其基本單位原始思想，在其指定范圍內(nèi)具有科學(xué)性和穩(wěn)定性，不會(huì)隨著時(shí)間和地點(diǎn)等外部條件的變化而變化。質(zhì)量是物體最重要的屬性之一，無(wú)論在科學(xué)研究還是在人們生活中，物體的質(zhì)量都是極其受到關(guān)注的。當(dāng)把物體的質(zhì)量作為一個(gè)量來(lái)表示的時(shí)候，需要由一個(gè)數(shù)值和計(jì)量單位組合表示。一個(gè)物體的質(zhì)量當(dāng)使用不同的計(jì)量單位表示時(shí)，其數(shù)值的大小是不同的，只有在使用相同計(jì)量單位表示時(shí)，較大的數(shù)值才能表示較大的物體質(zhì)量，也就是說(shuō)物體質(zhì)量的表示必須在數(shù)值后注明其對(duì)應(yīng)的計(jì)量單位名稱(chēng)，否則僅僅一個(gè)數(shù)值無(wú)法代表其具體的數(shù)量含義。

目前，質(zhì)量單位千克是國(guó)際單位制中最常見(jiàn)的七個(gè)基本單位之一，也是唯一一個(gè)采用實(shí)物復(fù)現(xiàn)的方式來(lái)表示其屬性的單位。近幾十年來(lái)，各國(guó)科學(xué)工作人員紛紛應(yīng)用最先進(jìn)的研究理論和方法，對(duì)其展開(kāi)相關(guān)研究，并采用先進(jìn)測(cè)量手段進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，成果顯著。受各國(guó)發(fā)展情況和歷史國(guó)情等方面條件的影響和制約，各國(guó)在日常生活和貿(mào)易中仍存在計(jì)量單位不一致的情況，這就給各國(guó)的交流與發(fā)展帶來(lái)了極大的不便。因此，國(guó)際組織通過(guò)統(tǒng)一限定的方式制定了國(guó)際單位制，并嚴(yán)格定義和區(qū)別了各類(lèi)單位。

我國(guó)在國(guó)際單位制的基礎(chǔ)上，依據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情制定了我國(guó)的法定計(jì)量單位制度。在國(guó)際單位制中千克是表示質(zhì)量的基本單位，它的符號(hào)是kg，千克還有一個(gè)同義詞就是我們?nèi)粘Ｓ玫墓?，它等于?guó)際千克原器的質(zhì)量。有一點(diǎn)值得注意，千克作為質(zhì)量基本單位其中的千不是詞頭（倍數(shù)關(guān)系），而要把千克作為一個(gè)整體對(duì)待，恰恰克是一個(gè)分?jǐn)?shù)單位用來(lái)表示千克的千分之一。

1 “千克”的產(chǎn)生發(fā)展歷史

千克作為質(zhì)量的單位有很長(zhǎng)的歷史，遠(yuǎn)早于國(guó)際單位制的確立。最初質(zhì)量單位千克是由長(zhǎng)度單位米導(dǎo)出的，即在4℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下1 立方分米的純水的質(zhì)量為1 千克。1799年根據(jù)這個(gè)定義用鉑作了一個(gè)圓柱體砝碼作為質(zhì)量單位基準(zhǔn)保存在法國(guó)檔案局，稱(chēng)為檔案局千克。以后因?yàn)楦鶕?jù)理論定義復(fù)現(xiàn)千克有許多困難，確定1 立方分米的純水過(guò)程中存在許多不確定因素，為此決定放棄質(zhì)量單位的理論定義采用檔案局千克作為質(zhì)量單位基準(zhǔn)使用。

米制公約組織成立后，建立的國(guó)際計(jì)量局用鉑銥合金仿照檔案局千克制成一批千克原器。這些千克原器是由90%的鉑和10%的銥組成的鉑銥合金制成的，各自純度為99.99%，而且它們是在真空中冶煉成后又經(jīng)精心鍛造，故它們的基體密度很大，合金內(nèi)部物質(zhì)變化和氣體釋放所引起的質(zhì)量變化很微小，可以忽略不計(jì)。由于這種合金中加入了一定數(shù)量的銥，其硬度大大提高而且耐磨。為減少由于磨損或其他物質(zhì)吸附而引起的質(zhì)量變化，在制造千克原器時(shí)，要盡可能地減少其表面積，以保證其測(cè)量結(jié)果的精確度。考慮到使用球體作為原器形狀，在加工、校準(zhǔn)以及使用過(guò)程中的諸多不便，設(shè)計(jì)者便選擇正圓柱體作為其基本形狀，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中將其高度和直徑都設(shè)置為39mm，將其棱邊略微修圓。在第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)選了最接近檔案局千克的一個(gè)千克原器作為質(zhì)量的國(guó)際單位——千克，即國(guó)際千克原器，余下的大部分分發(fā)給有關(guān)國(guó)家作為該國(guó)的千克原器。我國(guó)于1965年引進(jìn)了國(guó)際計(jì)量局編號(hào)為60號(hào)和61 號(hào)的兩個(gè)千克原器，并把61 號(hào)千克原器作為國(guó)家質(zhì)量基準(zhǔn)。

目前，除質(zhì)量以外，其他基本量均已建立起統(tǒng)一的自然基準(zhǔn)，并隨著其發(fā)展做出適當(dāng)調(diào)整。而質(zhì)量單位的定義仍局限在國(guó)際千克原器上，使得各國(guó)無(wú)法單獨(dú)復(fù)現(xiàn)千克，同時(shí)國(guó)際千克原器的量值也難以達(dá)到固定不變。長(zhǎng)期以來(lái)人們?cè)趯で笥媚撤N自然規(guī)律或物質(zhì)特性重新定義質(zhì)量單位，建立自然基準(zhǔn)。

在1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)命名的國(guó)際單位制中，千克是七個(gè)基本單位之一，用來(lái)表示質(zhì)量。隨著我國(guó)的法定計(jì)量單位的推行，千克的使用日漸頻繁，深入地了解千克、正確地理解和使用千克對(duì)于人們對(duì)物體的質(zhì)量有較全面的認(rèn)識(shí)大有裨益，對(duì)于保證質(zhì)量量值的統(tǒng)一、準(zhǔn)確、一致的作用越來(lái)越大。

2 千克的定義是國(guó)際千克原器的質(zhì)量

首先，一立方分米純水在4℃的質(zhì)量并不是絕對(duì)的，在不同的大氣壓下，純度不同的水質(zhì)量是不一樣的。其中的誤差很可能比千克原器的誤差還大。其次，取體積時(shí)要用到長(zhǎng)度單位，質(zhì)量作為最基本的單位，不應(yīng)該太依賴(lài)于長(zhǎng)度的定義。取溫度時(shí)涉及溫標(biāo)的問(wèn)題，要知道，不同介質(zhì)的溫度計(jì)定義的4℃是不同的。再次，取什么樣的作為標(biāo)準(zhǔn)很可能還是一個(gè)政治問(wèn)題，法國(guó)作為當(dāng)時(shí)的歐洲科技中心，有著制定標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)利，這對(duì)樹(shù)立其科技地位有很大作用，不然大家就不會(huì)朝圣一樣去巴黎計(jì)量局對(duì)原器了。法國(guó)巴黎國(guó)際度量局中的千克原器是用鉑銥合金制成的，它的密度是36 乘10 的3 次方kg/m^3，是用鉑銥合金（其中含鉑90%，含銥10%）制成的一個(gè)高度和直徑都是39 毫米的圓柱體。最后，國(guó)際上的確有意向廢除原器，采用離散的分子質(zhì)量，如同秒的定義一樣。物理是科學(xué)，不依賴(lài)于具體的標(biāo)準(zhǔn)，而在于其推導(dǎo)的嚴(yán)密性，只要有明確的定義就行。這樣千克原器質(zhì)量多少物理上不過(guò)是個(gè)定義問(wèn)題罷了，只有工科的才對(duì)這個(gè)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較看重，制定標(biāo)準(zhǔn)不過(guò)是方便科研而已。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)科研水平的不斷提高，我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)計(jì)量科學(xué)的研究，對(duì)質(zhì)量單位的研究也隨之增多。因此，正確理解質(zhì)量單位的定義和內(nèi)涵，了解和掌握其產(chǎn)生發(fā)展歷史，對(duì)研究質(zhì)量單位具有極大意義。本文以質(zhì)量單位中最常見(jiàn)的單位——千克為例，系統(tǒng)地研究和分析了其產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展做了一定預(yù)測(cè)。

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