千克:質量單位-中文百科頻道

簡介

複數：Kilogrammes國際單位制中米、千克、秒制的質量單位，也是國際單位制的7個基本單位之一。最初的定義和長度單位有關；1791年規定：1立方分米的純水在4℃時的質量，并用鉑銥合金制成原器，保存在巴黎，後稱國際千克原器。1901年第3屆國際計量大會規定：千克是質量(而非重量)的單位，等于國際千克原器的質量。千克用符号kg表示。千克力是工程技術中常用的計力單位，規定為國際千克原器在緯度45°的海平面上所受的重力。

符号為kgf。工程技術書中常把“力”字省略，因此易與質量單位混淆，故上世紀我國曾規定使用重力又稱重量，單位是千克力。2008年04月,位于不倫瑞克的德國國家計量研究院的研究人員表示，他們将采用直徑10厘米(4英寸)的純矽體去界定比現在的千克質量定義更為标準的度量方法。直到2013年為止，一個質量與千克最接近的鉑銥圓柱體，作為國際統一重量單位一直存放在法國巴黎郊外戒備森嚴的金庫内，但是由于消耗與磨損，它的質量正慢慢地減少，基本單位的準确性受到影響，誤差越來越大。

新的純矽體确實十分特殊，耗資200萬歐元(約合320萬美元)打造。純矽體合俄羅斯、澳大利亞和德國科學精英之力，用時五年制造，質量無限接近于一千克，是完美的球體，純度極高，99.99%的材料是一種稱為矽28的矽同位素。德國不倫瑞克的科學家将從現在開始對純矽體實施數千次實驗，以測算制成它的矽原子數量。

單位定義

早期定義

1795年4月7日，克在法國被規定為相等于“容量相等于邊長為百分之一米的立方體的水于冰熔溫度時的絕對重量”。由于商貿一般涉及的質量遠比一克大，又由于以水為标準的質量既不方便又不穩定，所以為了商業法規必需制造出質量水定義的實化儀。于是，人們制造了一個臨時的質量标準：一塊金屬人工制品，質量為克的一千倍——千克。

同時，準确判定一立方分米（一升）的水質量的工作也展開了。雖然千克定義規定的水溫0°C是非常穩定的溫度點，但是科學家們經過多年的研究決定于1799年在定義中改用水最穩定的密度點，也就是水達到最大密度時的溫度，當時的量度結果為4°C他們斷定在最大密度時一立方分米的水相等于4年前臨時千克标準目标質量的99.9265%。同年，也就是1799年，人們制造出一塊純白金的原器，其目标就是原器質量會相等于（當時科學上許可地盡量接近）4°C時一立方分米的水。該原器于六月被呈上國家檔案局，并于1799年12月被正式定為“檔案局千克”（Kilogramme?des?Archives），而一千克的定義就相等于其質量。這個标準維持了九十年。

國際原器

自1889年起，國際單位制将千克的大小定義為跟國際千克原器（在專業度量衡學中很多時候會把它縮寫為“IPK”）的質量相等。IPK由一種鉑合金制成，這種合金叫“90Pt10Ir”，即90%鉑及10%銥（按質量比）；然後把這種合金用機器造成39.17mm的直立圓柱體（高度=直徑），這樣做可以把表面積減至最低。比起純鉑的檔案局千克，新加進去的10%銥改善了硬度，但同時保留鉑的許多長處：對氧化的高度抵抗性、極高密度、良好的導電與導熱性以及低磁化率。IPK與其六件姐妹複制品都被存放在國際計量局（BIPM）位于巴黎郊區的總部下層的儲藏室内，有環境監控的保險箱裡。（見下面的外部圖片）開啟保險箱需要三條被分開保管的鑰匙。IPK的正式複制品可供其他國家作她們的全國标準之用。這些的複制品大概每50年就要跟IPK比對一次。

IPK是1879年制造的三個圓柱體之一。1883年，IPK的質量被發現跟八十四年前的檔案局千克的一緻，并在1899年的第一屆國際度量衡大會中被正式指定為千克。維也納标準海水（有嚴格同位素控制的純淨水）密度的現代測量指出一立方分米的水，在最大密度時（3.984°C）比一千克隻差25.05ppm。這個微小的差别，與IPK跟檔案局千克質量一緻這個事實，說明了超過209年前科學家們在量度水密度及制造檔案局千克的技藝是相當高超的。

重新定義

自1889年以來，“千克”這一重量是由放在法國巴黎國際度量衡局（BIMP）的一個鉑銥合金（90%的鉑，10%的銥）圓筒所定義，它的高和直徑都是約39毫米。該合金于1879年制成，經仔細調校，符合自18世紀法國大革命以來“千克”的重量，并于10年後被采納，成為國際千克原器。國際千克原器被放置在巴黎市郊的地下室内，人們一直認為這一合金的質量不會改變。

在國際單位制裡，除了“千克”，其餘6個單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來定義的，質量是唯一一個以物體來定義的國際單位。用物體來定義重量單位的一個缺點就是物體的重量會随着時間的流逝而改變。實際上，到了1992年，國際千克原器的質量就發生了變化。經與其他“千克”原器相比，國際千克原器變化了約50微克，相當于一個直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質量部主管艾倫·皮卡德說：“确切地說，我們無法确定它的質量是多了還是少了。這一變化可能是由于表面影響，失去了表面原子或結合了污染物。”

美國國家标準與技術研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對千克進行重新定義的時候了。”普拉特是參與重新定義千克的諸多度量衡學者中的一名。

參與這項研究的科學家們的基本想法是讓千克成為基本的物理學常量，就像今天我們用光在真空中的行進速度來定義米一樣：在真空中行進的光在299792458分之一秒内旅行的距離為一米。有鑒于此，這些科學家正研究以更穩定的量子力學常數——普朗克常數h取代物體，重新對“千克”下定義，并盡快達成200年來科學界尋求用穩定數字來統一度量制度的目标。物理常量普朗克常數反映的是量子力學中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常數。将這一等式與更加著名的E=mc2結合在一起，科學家們就可以據此定義質量了。

普朗克常數

為普朗克常數确定一個精确的數值本身也是一項非常複雜的工作，目前科學界有兩種不同的方法來确定普朗克常數的數值，而他們得到的結果卻并不一緻，由此也讓科學家們對千克進行重新定義變得更加困難。

其中一種方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）來定義普朗克常數。科學家們的想法是：瓦特天平的一端包含有一個普通天平，剛開始，研究人員把一個質量為m的物體懸挂在普通天平的一端，另一端挂着一段總長為L的線圈，線圈位于一個磁場強度為B的磁場中。在線圈中通以強度為i的電流，線圈就受到了一個大小為BLi的力的作用。仔細調節電流強度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通過一系列等式就可以與普朗克常數聯系起來。但實際情況卻并非如此簡單。科學家們仍然需要測量其他數值，比如，本地重力的大小、最大的誤差源以及避免任何形式的振動。

2007年，普拉特采用瓦特天平法測量出了迄今最精确的一個普朗克常數數值——6.62606891×10^34Js，誤差相對不确定度為36/109。但是，另一個由英國國家物理實驗所（NPL）制造、現放置于加拿大國家研究委員會國家測量标準研究所的測量儀器提供了一個不同于美國國家标準與技術研究院的結果，其數值更小。

另外一種獲得科學界認可的測量普朗克常數的方法是計數一塊純物質樣本的原子數的數量，科學家們由此可以确定阿伏伽德羅常數（0.012千克碳12中包含的碳12原子的數量）的大小。而阿伏伽德羅常數通過另一系列等式，也可以與普朗克常數産生關聯。

2008年，德國聯邦物理和技術事務研究所的科學家開始利用兩個幾乎完美的1千克半球進行試驗，半球由純度高達99.995%的矽28制成。自此，他們開始使用高精度的激光幹涉儀來确定半球的體積；使用X射線衍射來确定其晶體結構，以便更加精确地計算出原子的數量。到目前為止他們測出的阿伏伽德羅常數為6.02214082×10^23，誤差相對不确定度僅僅為30/109。他們再經過一系列等式和換算後得到的普朗克常數的數值與英國國家物理實驗所的瓦特天平測量法提供的結果相符合，但與美國國家标準與技術研究院給出的數值不符。

截止到2010年，普朗克常數的推薦值一般為6.62606957×10^34Js，其相對不确定度為44/109。有些人表示，這一數值足以用來對千克進行重新定義。但是，也有人認為，需要将相對不确定度進一步縮小到20/109才能對千克進行重新定義。

普拉特表示：“要想做到這一點可能還需耗費一段時間，我們還要進行一些更嚴苛更困難的測量工作。”

據國外媒體報道，鑒于國際千克原器質量的變化給物理學家帶來了巨大的理論挑戰，尤其是對那些需要精确測量的複雜實驗而言，因此，在2009年10月21日召開的第24屆國際計量大會上，國際單位委員會決定淘汰千克原器，用基于普朗克常數h的數值來代替“千克”。

大會還表示，在2014年之前“将不會采用這一常數”，此前還将通過實驗評估測量技術的精确性，以确保相對不确定度在20/109以内。使今後若用普朗克常數來定義“千克”這一單位，日常生活不會受到任何影響，比如要買500毫克阿司匹林、半公斤胡蘿蔔或一艘5萬噸的遊船，千克仍然是千克。然而，這一變化卻會立即對專業實驗室的高精檢測産生重大影響。