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chl5063木虫 (著名写手)
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完美晶硅有望成为质量实物基准
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质量是物理学中最基本最重要的概念之一，目前，它的基准由人造实物基准标定，但实物基准会随时间和环境的变化而改变，给质量测量的准确性带来许多困难。科学家们梦想用自然量取代人造基准量，重新定义质量的标准。如今，梦想与现实只有一步之遥。据《自然》杂志在线新闻报道，德国研究人员日前创建出迄今为止最纯粹的大块硅晶圆——晶硅28，科学家们可以利用这个晶体中的原子数量来确定千克的质量。 1872年，科学家们通过国际会议，决定以法国的档案千克为标准，在用铂铱合金制作标准千克的复制器中，选取了一个质量与档案千克最接近的作为国际千克原器，保存在巴黎国际计量局。1889年，第一届国际计量大会批准以这个国际千克原器作为质量标准并沿用至今。 然而，研究人员担心，经过一个多世纪的沧桑岁月，这块合金上某些原子的增加或减少会导致其重量有0.1毫克的改变。这将会改变以它为基准进行校准的精密仪器的标准。 成功定义质量意味着用原子的数量来确定千克的质量。为实现用自然量取代人为规定量，国际上曾用20多年的时间开展了一项重大科学研究合作计划，其目标是准确确定质量、长度、时间的常数。单晶硅被认为是最理想的物质，精确测定硅原子量对确定质量的常数、实现用自然量取代人为规定量将起到关键性作用。研究人员已制造出块状的自然硅，但当时由于技术和条件的限制，无法实现用硅原子个数取代人造“千克”实物基准的目标。 另外一个问题是，利用质谱仪确定晶体中不同同位素的比例会造成较大的测量误差。德国晶体生长研究所的Helge Riemann说，在质量基准系统的测量中，质谱仪的精确度最差，它导致的1千克质量的误差为0.1毫克。 5月23日，Riemann领导的研究小组利用来自俄罗斯的材料，创建了一个重量达5千克的哑铃形硅晶体，因为这种晶体基本上没有同位素，其中硅28的纯度达到99.994%，所以如果用作质量的基准，则测量精度可大大提高。 通过在不接触材料的情况下在容器里反复对之进行熔化，研究人员用了6个月的时间去除晶体中的杂质，所得到的晶体纯度之高，达到了每1000万个硅原子中只有一个外来原子。英国国家物理实验室的物理学家Ian Robinson正在用另外一种方法对千克进行重新定义，他说：“他们的确获得了所能得到的最高纯度。” 新晶体价值连城，约合200万欧元。明年，科学家将会把它分割成2个重1千克的球体，这些材料将用于试验。但这些晶体的重量在被精确确定前，还需要几年的时间进行各种测量，包括对晶体中0.006%的杂质的同位素分析、对晶体堆积的X射线测量以及对球形体积的精确测量。Riemann说：“这些测量需要两三年的时间。”如果测量过程进展顺利，那么1千克的测量误差将在百分之几毫克左右。 国际上其他研究小组也在努力寻找重新定义质量基准的方法，比如用瓦特－平衡测量质量周围的电磁力和重力。对每种方法的结果进行比较是很重要的，因为没有一种方法是完美的。 Robinson说：“现在，最好的误差是3.6×10-8。”也就是说1千克的误差范围是0.036 毫克，这是美国国家标准和技术局的贡献。“我们希望向2×10-8进军，我们正在前进的途中”。 相关背景：档案千克 长度、时间和质量的计量单位米、秒和千克，均由人造实物基准标定。质量单位千克等于国际千克原器的质量，这个原器由法国制造。18世纪中叶，法国为了改变国内计量制度的混乱情况，在规定通过巴黎的地球子午线的四千万分之一为1米的同时，规定常压下4℃时，1立方分米纯水的质量为1千克(水在这个温度时的密度最大)，并且用铂制作了标准千克原器，保存在法国档案局，这个标准千克原器被称为“档案千克”。 [ Last edited by 枫叶子2006 on 2007-6-12 at 20:58 ] |
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