千克:质量单位-中文百科频道

简介

复数：Kilogrammes国际单位制中米、千克、秒制的质量单位，也是国际单位制的7个基本单位之一。最初的定义和长度单位有关；1791年规定：1立方分米的纯水在4℃时的质量，并用铂铱合金制成原器，保存在巴黎，后称国际千克原器。1901年第3届国际计量大会规定：千克是质量(而非重量)的单位，等于国际千克原器的质量。千克用符号kg表示。千克力是工程技术中常用的计力单位，规定为国际千克原器在纬度45°的海平面上所受的重力。

符号为kgf。工程技术书中常把“力”字省略，因此易与质量单位混淆，故上世纪我国曾规定使用重力又称重量，单位是千克力。2008年04月,位于不伦瑞克的德国国家计量研究院的研究人员表示，他们将采用直径10厘米(4英寸)的纯硅体去界定比现在的千克质量定义更为标准的度量方法。直到2013年为止，一个质量与千克最接近的铂铱圆柱体，作为国际统一重量单位一直存放在法国巴黎郊外戒备森严的金库内，但是由于消耗与磨损，它的质量正慢慢地减少，基本单位的准确性受到影响，误差越来越大。

新的纯硅体确实十分特殊，耗资200万欧元(约合320万美元)打造。纯硅体合俄罗斯、澳大利亚和德国科学精英之力，用时五年制造，质量无限接近于一千克，是完美的球体，纯度极高，99.99%的材料是一种称为硅28的硅同位素。德国不伦瑞克的科学家将从现在开始对纯硅体实施数千次实验，以测算制成它的硅原子数量。

单位定义

早期定义

1795年4月7日，克在法国被规定为相等于“容量相等于边长为百分之一米的立方体的水于冰熔温度时的绝对重量”。由于商贸一般涉及的质量远比一克大，又由于以水为标准的质量既不方便又不稳定，所以为了商业法规必需制造出质量水定义的实化仪。于是，人们制造了一个临时的质量标准：一块金属人工制品，质量为克的一千倍——千克。

同时，准确判定一立方分米（一升）的水质量的工作也展开了。虽然千克定义规定的水温0°C是非常稳定的温度点，但是科学家们经过多年的研究决定于1799年在定义中改用水最稳定的密度点，也就是水达到最大密度时的温度，当时的量度结果为4°C他们断定在最大密度时一立方分米的水相等于4年前临时千克标准目标质量的99.9265%。同年，也就是1799年，人们制造出一块纯白金的原器，其目标就是原器质量会相等于（当时科学上许可地尽量接近）4°C时一立方分米的水。该原器于六月被呈上国家档案局，并于1799年12月被正式定为“档案局千克”（Kilogramme?des?Archives），而一千克的定义就相等于其质量。这个标准维持了九十年。

国际原器

自1889年起，国际单位制将千克的大小定义为跟国际千克原器（在专业度量衡学中很多时候会把它缩写为“IPK”）的质量相等。IPK由一种铂合金制成，这种合金叫“90Pt10Ir”，即90%铂及10%铱（按质量比）；然后把这种合金用机器造成39.17mm的直立圆柱体（高度=直径），这样做可以把表面积减至最低。比起纯铂的档案局千克，新加进去的10%铱改善了硬度，但同时保留铂的许多长处：对氧化的高度抵抗性、极高密度、良好的导电与导热性以及低磁化率。IPK与其六件姐妹复制品都被存放在国际计量局（BIPM）位于巴黎郊区的总部下层的储藏室内，有环境监控的保险箱里。（见下面的外部图片）开启保险箱需要三条被分开保管的钥匙。IPK的正式复制品可供其他国家作她们的全国标准之用。这些的复制品大概每50年就要跟IPK比对一次。

IPK是1879年制造的三个圆柱体之一。1883年，IPK的质量被发现跟八十四年前的档案局千克的一致，并在1899年的第一届国际度量衡大会中被正式指定为千克。维也纳标准海水（有严格同位素控制的纯净水）密度的现代测量指出一立方分米的水，在最大密度时（3.984°C）比一千克只差25.05ppm。这个微小的差别，与IPK跟档案局千克质量一致这个事实，说明了超过209年前科学家们在量度水密度及制造档案局千克的技艺是相当高超的。

重新定义

自1889年以来，“千克”这一重量是由放在法国巴黎国际度量衡局（BIMP）的一个铂铱合金（90%的铂，10%的铱）圆筒所定义，它的高和直径都是约39毫米。该合金于1879年制成，经仔细调校，符合自18世纪法国大革命以来“千克”的重量，并于10年后被采纳，成为国际千克原器。国际千克原器被放置在巴黎市郊的地下室内，人们一直认为这一合金的质量不会改变。

在国际单位制里，除了“千克”，其余6个单位“米”“秒”“安培”“摩尔”等都不是以物体来定义的，质量是唯一一个以物体来定义的国际单位。用物体来定义重量单位的一个缺点就是物体的重量会随着时间的流逝而改变。实际上，到了1992年，国际千克原器的质量就发生了变化。经与其他“千克”原器相比，国际千克原器变化了约50微克，相当于一个直径0.4毫米的小沙粒。BIPM质量部主管艾伦·皮卡德说：“确切地说，我们无法确定它的质量是多了还是少了。这一变化可能是由于表面影响，失去了表面原子或结合了污染物。”

美国国家标准与技术研究院工程师乔恩·普拉特表示：“到了我们需要对千克进行重新定义的时候了。”普拉特是参与重新定义千克的诸多度量衡学者中的一名。

参与这项研究的科学家们的基本想法是让千克成为基本的物理学常量，就像今天我们用光在真空中的行进速度来定义米一样：在真空中行进的光在299792458分之一秒内旅行的距离为一米。有鉴于此，这些科学家正研究以更稳定的量子力学常数——普朗克常数h取代物体，重新对“千克”下定义，并尽快达成200年来科学界寻求用稳定数字来统一度量制度的目标。物理常量普朗克常数反映的是量子力学中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v为辐射电磁波的频率，h为普朗克常数。将这一等式与更加著名的E=mc2结合在一起，科学家们就可以据此定义质量了。

普朗克常数

为普朗克常数确定一个精确的数值本身也是一项非常复杂的工作，目前科学界有两种不同的方法来确定普朗克常数的数值，而他们得到的结果却并不一致，由此也让科学家们对千克进行重新定义变得更加困难。

其中一种方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）来定义普朗克常数。科学家们的想法是：瓦特天平的一端包含有一个普通天平，刚开始，研究人员把一个质量为m的物体悬挂在普通天平的一端，另一端挂着一段总长为L的线圈，线圈位于一个磁场强度为B的磁场中。在线圈中通以强度为i的电流，线圈就受到了一个大小为BLi的力的作用。仔细调节电流强度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通过一系列等式就可以与普朗克常数联系起来。但实际情况却并非如此简单。科学家们仍然需要测量其他数值，比如，本地重力的大小、最大的误差源以及避免任何形式的振动。

2007年，普拉特采用瓦特天平法测量出了迄今最精确的一个普朗克常数数值——6.62606891×10^34Js，误差相对不确定度为36/109。但是，另一个由英国国家物理实验所（NPL）制造、现放置于加拿大国家研究委员会国家测量标准研究所的测量仪器提供了一个不同于美国国家标准与技术研究院的结果，其数值更小。

另外一种获得科学界认可的测量普朗克常数的方法是计数一块纯物质样本的原子数的数量，科学家们由此可以确定阿伏伽德罗常数（0.012千克碳12中包含的碳12原子的数量）的大小。而阿伏伽德罗常数通过另一系列等式，也可以与普朗克常数产生关联。

2008年，德国联邦物理和技术事务研究所的科学家开始利用两个几乎完美的1千克半球进行试验，半球由纯度高达99.995%的硅28制成。自此，他们开始使用高精度的激光干涉仪来确定半球的体积；使用X射线衍射来确定其晶体结构，以便更加精确地计算出原子的数量。到目前为止他们测出的阿伏伽德罗常数为6.02214082×10^23，误差相对不确定度仅仅为30/109。他们再经过一系列等式和换算后得到的普朗克常数的数值与英国国家物理实验所的瓦特天平测量法提供的结果相符合，但与美国国家标准与技术研究院给出的数值不符。

截止到2010年，普朗克常数的推荐值一般为6.62606957×10^34Js，其相对不确定度为44/109。有些人表示，这一数值足以用来对千克进行重新定义。但是，也有人认为，需要将相对不确定度进一步缩小到20/109才能对千克进行重新定义。

普拉特表示：“要想做到这一点可能还需耗费一段时间，我们还要进行一些更严苛更困难的测量工作。”

据国外媒体报道，鉴于国际千克原器质量的变化给物理学家带来了巨大的理论挑战，尤其是对那些需要精确测量的复杂实验而言，因此，在2009年10月21日召开的第24届国际计量大会上，国际单位委员会决定淘汰千克原器，用基于普朗克常数h的数值来代替“千克”。

大会还表示，在2014年之前“将不会采用这一常数”，此前还将通过实验评估测量技术的精确性，以确保相对不确定度在20/109以内。使今后若用普朗克常数来定义“千克”这一单位，日常生活不会受到任何影响，比如要买500毫克阿司匹林、半公斤胡萝卜或一艘5万吨的游船，千克仍然是千克。然而，这一变化却会立即对专业实验室的高精检测产生重大影响。