6. 第六章 基本单位千克的发展历程

第六章

基本单位千克的发展历程中国计量大学《计量学概论》课程组目录01从最早的千克定义到国际千克元器02走下神坛的国际千克元器从最早的千克定义到国际千克元器PARTONE一、古代计量阶段的质量（重量）单位古代质量单位和长度单位的情况相似，也是各国甚至各地区自行其是，有多种多样的形式。例如：我国秦代度量衡制度中规定：1石=4钧，1钧=30斤，1斤=16两。与现代国际单位制（SI）相比较，秦代的1斤约合现在的0.258千克。01在波斯用卡拉萨（karasha）作质量的单位，约合0.834千克，埃及用格德特（gedet），约合9.33克。英制中以磅（pound），盎司（ounce），打兰（dram），格令（grain）作单位：1磅=16盎司=256打兰=

7000格令。大英帝国曾用纯铂制成磅原器，它是高约1.35英寸、直径1.15英寸的纯铂圆柱体。重量单位“磅”在欧洲使用范围广泛，但其量值则大小不一。在中世纪的瑞士日内瓦，一“磅”可以是15盎司、16盎司或18盎司，取决于商品的种类。02需要注意的是，在古代计量阶段，世界上各个地方基本上都没有意识到质量和重量的区别，自然也就不会对这两个概念进行任何区分。计量方式的不统一给科学技术的发展和各国的贸易对接带来了极大不便，因此人们希望能拥有全世界统一的计量标准。二、米制发端阶段的质量基准——档案局千克1791年法国度量衡委员会规定：米为地球子午线（通过两极与赤道）1/4周长的1000万分之一，千克为1立方分米4℃（水密度最大时）水的质量。因千克由米推导而来，该单位制被称为“米制”。法国人在创立米制的时候，既定义了世界上最早的“米”，只做了世界上第一个米原器——“档案局米”，也给出了世界上最早的“千克”的定义。法国大革命期间，梅尚与德朗布尔带队分头测量子午线长度，度量衡委员会同步组织基础实验，拉瓦锡等人精密称量水重、研究铂合金热胀冷缩性质，为米制重量基本单位的确立做准备。1795年4月7日，法国规定克为1立方厘米（边长百分之一米的立方体）冰融温度下水的绝对重量。因商贸常用质量远大于1克，且受当时工艺与测量技术限制，原计划的克标准器改为千克标准原器，这也是国际单位制中质量主单位为千克而非克的原因。1795年，法国启动1立方分米水质量判定工作。原千克定义水温为0℃，1799年科学家改用水最大密度点4℃为标准，同年制成铂原器（力求接近该温度下水的质量），6月呈交国家档案局，12月正式定为“档案局千克”——世界首个千克原器，该标准沿用90年。但可惜的是，人称“化学之父”的伟大化学家拉瓦锡没有能够活着看到这一天。在法国大革命的惊涛骇浪之中，1794年5月8日，51岁的拉瓦锡被送上了断头台。著名数学家拉格朗日感叹道：“砍下他的头颅只需要一眨眼工夫，但生出他那样的大脑一百年也不够。”二、米制发端阶段的质量基准——档案局千克经过40多年的反复和逐步推行，到1840年，米制终于在全法国境内取代了旧制，成为法国国内普遍使用的唯一的一种计量制度，并开始逐渐被世界上其他国家采用。三、《米制公约》出现之后的质量基准——国际千克原器1875年由17个国家代表在巴黎签订了《米制公约》，从而为米制的传播和发展奠定了基础。《米制公约》的签订标志着近代计量的开始。1878年国际米制委员会向英国伦敦的JohnsonMatthey公司订购三个铂铱合金圆柱体1879年供货单位交了货，然后由A·科洛特在巴黎抛光并进行了调准，其偏差在1毫克以内1880年在巴黎测量所由四名检定人员用巴黎档案局保存的“档案局千克”与这三个圆柱体分别进行比对1882年KⅢ千克原器被提交给国际米制委员会1883年KⅢ被确定为国际千克原器1887年国际米制委员会以会议记录形式在文字上正式明确“国际千克原器质量被定义为国际计量检定业务使用单位”1889年第1届国际计量大会决定将KIII作为“国际千克原器”，并于1901年在第3届国际计量大会上对千克进行了明确定义，规定“千克是质量单位，它等于国际千克原器的质量”三、《米制公约》出现之后的质量基准——国际千克原器国际千克原器（IPK，又称“大K”）为直径与高均39毫米的正圆柱体，由90%铂+10%铱的铂铱合金制成（密度21.5g/cm³），该形状与材质利于加工、减少磨损和吸附。它作为全球质量基准，被精密保存在巴黎国际计量局地下原器库，置于水晶圆板+三层玻璃罩（外层半真空）的黄铜装置中。千克原器比对需用原器天平（真空型精度更优，优于1×10⁻⁸），通过远距离操作消除空气浮力影响。由于历史的原因，法国科学家在建立米制的时候，采用了千克而不是克作为基本单位。1960年国际单位制建立的时候，有科学家提出千克这个名称应该改变，因为基本单位中不应该带有前缀。但是，在国际计量大会（CGPM）投票表决的时候，绝大多数科学家投票赞成保留，所以这一基本单位就一直保留了下来。四、“重量”和“质量”的区分第1届国际计量大会（CGPM）第一次明确对历来都被混用的“重量”和“质量”两个词进行了区分，明确指出“重量一词表示的量与力的性质相同；物体的重量是该物体的质量与重力加速度的乘积”。国际上在日常生活和贸易中，习惯地把质量称为重量。过去，在物理学中，常常把重量和重力混在一起，把质量和力相混淆。现在我们需要注意区分：质量是标量，而重力是力，是矢量，力不仅有大小，还有方向和作用点。质量的SI单位是千克（kg），重力（重量）的SI单位是牛顿（N）。走下神坛的国际千克元器PARTTWO一、国际千克原器作为质量基准稳定可靠吗？1889年，第1届国际计量大会确定了“国际千克原器”1901年，第3届国际计量大会对千克进行了明确定义，规定“千克是质量单位，它等于国际千克原器的质量”千克采用国际千克原器定义后，计量学家们十分关心的一个问题是：这样的定义到底有多稳定？国际千克原器的质量会随着时间的推移而发生漂移吗？回顾过去，1791年，当法国决定采用一种全新的度量衡制度——米制的时候，数学家、哲学家孔多塞侯爵自豪地宣称米制是“适合所有时代，适合所有人”（"Àtouslestemps,àtouslespeuples"），认为米制能在任何时间、能为任何用户提供“最高标准”，因为这套制度是基于大自然的，不像原来那些古老的单位那样用人体的一部分或者动作，或者用人类认为方便的自然物随意定义单位。作为米制的自然发展，这也是国际单位制（SI）建立的一个基本宗旨。一、国际千克原器作为质量基准稳定可靠吗？为了保证各国的质量量值的统一，1885年起，国际计量局对各国千克原器开展3次周期检定（1910-1913、1946-1954、1989-1993），总平均不确定度稳定在10⁻⁹量级，但它是当时7个国际基本单位中准确度最低、未量子化的基准，且存在1×10⁻⁸量级变化（每百年约50微克），还面临易损坏、材料老化等问题。所以，也很难说国际千克原器能够做到“适合所有时代”（"Àtouslestemps"）。为了保证千克原器的绝对安全，用于保存千克原器的装置外设置了3把锁，钥匙交由3个不同的重要人物保管，分别是国际计量局（BIPM）局长、国际计量委员会（CIPM）主席和法国国家档案馆馆长。如果没有这三把钥匙，就不得进入原器库。这项工作受国际计量委员会的18名委员共同监督。从这点上看，基于国际千克原器的千克定义没有做到“适合所有人”（"àtouslespeuples"）。二、国际千克原器质量变化的影响国际千克原器作为千克量值基准，其存在的缓慢变化虽然说现阶段还不足以影响人们的日常生活，但其长期积累的效应，无疑会影响国际计量制体系的稳定性，并且会对精密科学研究产生不良影响。需要特别注意的是，7个国际单位制（SI）基本单位的定义之间并不是彼此独立的，千克量值的不稳定性，还会影响SI其他基本单位和相关导出单位的量值。例如：1物质的量的单位摩尔的原来定义中用到了质量单位千克2电流单位安培的原来定义用到了导出单位牛顿，而导出单位牛顿的定义中用到千克3导出单位帕斯卡和焦耳的定义中用到牛顿，瓦特的定义中用到焦耳，伏特的定义中用到瓦特........如果国际千克原器的质量有轻微的变动，所有这些单位和用到这些单位的导出单位的量值都会随之变化。二、国际千克原器质量变化的影响如果单位定义在某个特定的量级上，那么离定义的量级越远其测量不确定度越大。例如，以国际千克原器作为比较基准，则在毫克量级的测量其最小相对不确定度至少是千克量级测量的2500倍。维持SI单位制稳定性，需为7个基本单位设立不随时间、环境变化的定义。而千克是其中唯一的实物基准，易因磨损、原子吸附/释放、表面污染导致质量不稳定，因此用特定物体定义SI基本单位存在缺陷。三、基本单位“千克”的最新定义2018年11月13-16日，国际计量局（BIPM）在法国凡尔赛召开第26届国际计量大会（CGPM），表决通过“修订国际单位制（SI）”1号决议：千克、安培、开尔文、摩尔4个SI基本单位改由自然常数定义，于2019年5月20日正式生效。其中，千克的最新定义为：固定普朗克常量h的数值为6.62607015×10⁻³⁴J・s（即kg・m²・s⁻¹），米和秒分别依据光速c、铯-133原子基态超精细跃迁频率Δν（Cs）定义。旧千克定义以国际千克原器为唯一基准，称重时大于1千克需累加、小于需分割，过程会损失量值准确性，新定义无此局限。三、基本单位“千克”的最新定义用普朗克常量h定义千克后，可保障SI长期稳定性，量值传递更可靠，无需顾虑IPK的质量变化、丢失或损坏对全球质量量值统一的影响，单位复现技术更具开放性。本次SI修订遵循量值连贯原则，新旧定义量值连续无跳变，对日常生活影响极小。新定义生效后，千克可通过基布尔天平（瓦特天平）、