定義“千克”新思路

1千克究竟有多重？“國際千克原器”說了算！

國際千克原器是一個高39毫米、底面直徑也為39毫米的圓柱體，由鉑銥合金制成，其中鉑含量占90%，銥含量占10%。作為極其重要的質(zhì)量基準(zhǔn)，從1889年以來，它一直被保存在法國巴黎國際計量局。專家們用三層玻璃將它罩好，最外一層玻璃罩里還抽成半真空，以防空氣和雜質(zhì)進(jìn)入。國際千克原器還有幾十個復(fù)制品，存放在不同國家，作為國家基準(zhǔn)。

時光流逝，問題逐漸顯現(xiàn)出來。2013年1月初，德國《計量學(xué)》雜志刊載研究報告稱，表面上日積月累的污垢使國際千克原器增重了數(shù)十微克，這樣就影響到了所有與千克有關(guān)聯(lián)的單位，如能量單位、力學(xué)單位等。一個全世界都要依靠它來確定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的實體，它的質(zhì)量發(fā)生變化，實在不是一件好事。

有沒有什么方法可以更為精準(zhǔn)地定義“千克”，使之不受外界環(huán)境變化的影響呢？

目前，我們使用的大多數(shù)單位都不是采用實物定義，而是以精密的微觀測量為基礎(chǔ)定義的，比如1秒鐘，是用特定原子的某種規(guī)則振蕩來定義的；1米，是用光在真空中299792458分之一秒內(nèi)旅行的距離來定義的。那么千克是否也能用類似的思路來定義呢？如果我們知道某個合適的單個粒子的質(zhì)量，是不是就能夠用諸如“多少個某粒子的質(zhì)量”來定義千克呢？

但是，微小物質(zhì)質(zhì)量的測量從來不是一件簡單的事情。美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士后研究員藍(lán)劭宇（Shau？鄄Yu Lan）和他的同事們提供了一種想法。

根據(jù)量子物理學(xué)，每種粒子都按照一個特定的、正比于它們質(zhì)量的頻率振蕩，這種頻率被稱為康普頓頻率。如果我們能測得康普頓頻率，就能夠得到單個粒子的質(zhì)量，并據(jù)此定義“千克”。但是，康普頓頻率相當(dāng)之高，比實驗室里通常能夠測量的頻率高出太多，要測得它非常不容易。

藍(lán)劭宇和他的同事們經(jīng)過摸索和研究，終于找到方法，測出了一個銫原子的康普頓頻率。他們把銫原子放在一臺干涉儀中，向它發(fā)射激光脈沖，從而產(chǎn)生一個新的可測得的頻率，通過測量這個新頻率來得到銫原子的康普頓頻率。

因為康普頓頻率只和粒子質(zhì)量有關(guān)，且正比于粒子的質(zhì)量，所以從理論上講，只要我們知道任意一種單個粒子的質(zhì)量的話，通過測得康普頓頻率就能獲得其他任何粒子的質(zhì)量，定義千克也就沒有任何障礙了。

看到這里，一定有同學(xué)會說：學(xué)過高中化學(xué)，學(xué)過阿伏伽德羅常數(shù)，要求一個粒子的質(zhì)量不是很容易嗎？要那么麻煩干嗎？問題就在于，我們所用的阿伏伽德羅常數(shù)本身是個近似值，要利用它來確定一個全世界通用的質(zhì)量基準(zhǔn)，肯定是不行的。

所以，藍(lán)劭宇說：“我們的實驗用時間測量微觀的質(zhì)量，如果再加上另一組實驗，也就是計算一個千克的硅圓球體內(nèi)有多少個原子的‘阿伏伽德羅計劃，整個系統(tǒng)就可以用來定義千克了?！?/p>

【練一練】

人們最早選定的時間標(biāo)準(zhǔn)是以地球的自轉(zhuǎn)以及對太陽的公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的，稱為世界時。后來發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)速率并不均勻，它的精確程度約3年差1秒。1967年，第十三屆國際計量大會通過了新的原子秒的定義：“秒是以銫-l33原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間在零磁場下躍遷輻射9，192，631，770周所持續(xù)的時間?！毕铝杏嘘P(guān)說法不正確的是 。

A. “原子秒”比“天文秒”更精確

B. 134Cs與133Cs互為同位素，它們的化學(xué)性質(zhì)相似

C. 同樣綠豆大小的Na與Cs，分別放入裝有H2O的燒杯中，Na與水劇烈反應(yīng)，而Cs與水反應(yīng)可能會發(fā)生爆炸

D. 基態(tài)Cs原子的兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射是化學(xué)變化

【參考答案】

D 【正因為“天文秒”有每3年1秒的誤差，所以科學(xué)界提出了更精確的“原子秒”的概念，A正確。同位素由于外圍電子排布相同，所以，它們的化學(xué)性質(zhì)幾乎相同，B正確。銫與鈉同主族，銫比鈉原子半徑大，金屬性Cs比Na強(qiáng)，單質(zhì)Cs比單質(zhì)Na還原性強(qiáng)，與H2O反應(yīng)時，Cs反應(yīng)更劇烈，甚至?xí)l(fā)生爆炸，C正確。電子在Cs原子中能級間發(fā)生躍遷是物理變化，所以D選項不正確】

材料提供： 鄭 列

命 題： 富陽中學(xué) 董 君