質量基準漫談
施昌彥
計量涉及到人民生活的方方（fāng）麵（miàn）麵。例如在1995年底告別了北（běi）京公眾貿易市場的杆（gǎn）秤，以及取而代之的（de）現代化的電子計價秤和雙麵彈簧度（dù）盤秤等等。人們在天天接觸這些計量器具的（de）同時，自然會想（xiǎng）到，如何保證這些秤準確無誤呢？
目前，國內外（wài）計量部門均用砝碼（mǎ）進行檢定秤的準確性。砝碼是否準確？可用（yòng）天平進行檢定。天平是否準確？又用更準確的砝碼去檢定。更準確的砝碼是否準確？再（zài）用更準確的天平去檢定……如此上溯，最準確的源頭就是保（bǎo）存在中國計量科學研（yán）究院的（de）國家質量基準——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（de）千克(公斤)原器，又要定（dìng）期與保存在國際計量局(BIPM)的國際（jì）千克(公斤（jīn）)原器進行比對。這樣，就可以保證國（guó）際上質量量值的一（yī）致（zhì）、準確，從而促進國際科技交流和公平貿易。
說到“千克”這個質量單位（wèi），國際上是在距今200年的（de）1795年，從長度單位“米”來確（què）定的，即1立方分“米”純水在最大密度時的質量為1“千克”。兩年後，法國根據這個定義製造了一個鉑圓柱體砝碼，保存於巴黎的國家檔案局並被（bèi）稱為“檔（dàng）案千克”(後來證明（míng），它（tā）的實際值比定（dìng）義值大（dà）28毫克)。
國際（jì）米製委員會於1878年向（xiàng）英國的約翰遜(Johnson)、馬瑟（sè）(Matthey)和倫敦公司定製了三個鉑銥合金圓柱體砝碼，兩年後分別與“檔案千克”比對（duì）。其中質量最接近的一個，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當（dāng）是一個圓球，因為球的表麵積最小，因（yīn）而受（shòu）外界的影響麵也最小。但考慮到球的加工、調準（zhǔn）和使用不（bú）便，最終采用高度（dù）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（jīn），通（tōng）過鍛造(後來用粉末冶金技術)，鉑銥合金（jīn）的密（mì）度達到21.5克（kè）/厘米3，同時使其性能穩定和不易磨損（sǔn）。原器表（biǎo）麵經過精細拋光（guāng）(後來用激光拋光技術)，來減少凹處吸附和（hé）凸處磨損引起的質量（liàng）增減。
國際（jì）計量局根據千克原器的材質、形狀和要求，先後加工複製了一些副原（yuán）器發售（shòu）給米製公約的（de）各成員，作為這些（xiē）國（guó）家的原器或質量基（jī）準，放在三層玻璃罩內（nèi）。由（yóu）於它們的穩定性很好，各國千（qiān）克（kè）原器與國際千克原器或其作證基準之間每隔三、四（sì）十年才比對一次。第（dì）一次比對於1899—1911年間，第二次（cì）比對於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砝碼和5個成員國（guó）的（de）不鏽鋼(含（hán）20%鎳和20%鉻)基準砝碼參與比對。結果（guǒ）表明，單個鉑銥合金砝（fǎ）碼的不確定度為2.3微克（kè），而不鏽鋼砝碼為15微克（kè）。我國1965年（nián）引進的第60號千克原器的質量被確定為1kg+0.295mg，而1984年引進的第64號作證原器（qì）的質量為1kg+0.251mg。
眾所周知，由於砝碼材料密度不同，空氣浮力的影響也不同。在高（gāo）精（jīng）度計量中為消除（chú）這個影響，國際法製計量組織(OIML)推薦使（shǐ）用“在空氣中（zhōng）衡量結果的約定（dìng）值”，即約（yuē）定（dìng）選取20℃時砝碼材料的密度為8000kg/m3。中國計量科學研究院主持研製的這種不鏽鋼砝碼，因其密度非（fēi）常接近約定值(8000.65—7999.81kg/m3)並磁化率極低（dī）(3.4×10-4)，而受到國際同行讚歎（tàn）。
砝碼磁化率對衡量結果影響頗大，它使同一（yī）物品在機械（xiè）天平和電子天平（píng）上測得的值相去甚遠（yuǎn），有（yǒu）時竟達數十倍（bèi）(比如60倍)之多。降低現代砝碼磁化（huà）率，一直是（shì）計量工作者努力追求的目標。計量院主（zhǔ）持研製的砝碼（mǎ）經國（guó）際計量局、德國聯邦物理技術（shù）研究（jiū）院（yuàn）幾次測試證明，磁化率、密度和穩（wěn）定性都很好（hǎo）。1995年10月在北京召開的第30屆國（guó）際（jì）法製計量大會上，國際法製（zhì）計量局局長阿塔內先生在接受國家技術監督局李傳卿局長贈送的（de）這種特製砝碼時，對中國的計量成就給予了高度（dù）評價。
但是（shì）從基（jī）礎研究角度（dù）來（lái）看，在7個基本量中目前唯一剩下質量還沒（méi）有建立自然基準（zhǔn），質量單位仍然定（dìng）義在（zài）國際（jì）千克原器上。這個原器全世界隻能有一個，各國無法單獨（dú）實現千克，而且存在著損壞、汙染的可能，量值難以達到固（gù）定不（bú）變。實際上，在第三（sān）次國際比對中已經發現清洗（xǐ）很難複原，對量值影響甚（shèn）大。對過去的（de）100年中，估計質量的變化達50微克，即5×10-8。此（cǐ）外，人們雖然在用原器定義宏觀的質量單位千克，卻又不得不（bú）以碳-12原子質量的1/12來定義微觀的質量單位“原子質量單位”，這樣就出現兩個質（zhì）量單位如何協調一致的問題。
鑒於這種人為性和局限（xiàn）性，長期以來人們一直在尋求（qiú）用某種自然規（guī）律或某種物質特性重新定義質量（liàng）單位，這是（shì）當前和21世紀（jì）計量學的重要（yào）研究課題之一。研究表明，迄今為止可能存在的（de）多種選擇中有兩種方案比較現實。
一種方案是利用一定數量的基本粒子（zǐ），比（bǐ）如（rú）把（bǎ）1.097768……×1030個自由電子靜止時的質量定義為千克。這（zhè）裏的關鍵是通過精密測（cè）度矽（guī）單晶的晶格間距、密度和同位素（sù），來提高阿伏加德羅常（cháng）數NA的準確（què）度。新（xīn）近發展的掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡（jìng）(AFM)的高分辨力（lì）和（hé）穩定（dìng）性，使得顯（xiǎn）現原子圖象及其個數成為可能；而皮米級氦氖激光測長幹涉儀使得間距的準確度有可能達到10-9量級。
第二種方案是利用重新定義後的電（diàn）量，比如用（yòng）電功率來定義力從而導出質量（liàng）:千克為施加1牛頓的力使其產生1m/s2加速度的質量。這裏的關鍵是研製將（jiāng）電（diàn）功率(伏安)與機械功率(單位時間（jiān）作的功)關聯起來的（de）裝置，利用約瑟夫森(Josephson)效應確定（dìng）電壓，利用量子化霍爾(Hall)效應確定電阻，進而確定力並定義質量單位。
質量單位千克是國際單位製的SI單位，不是倍數單位，但（dàn）卻帶著SI詞頭，這是很別扭的事。在國際單位製的所有SI單位中，隻有質量單（dān）位由（yóu）於曆史上的原因（yīn）造成了這個例外。●
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