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阿伏加德罗常数的新数值重新定义千克
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一个计划于2018年重新定义“千克”的国际项目近期得到了来自意大利，日本和德国的研究者们的帮助，将两个最准确的阿伏加德罗常数测量值关联起来并得到了可用于未来计算的平均值。他们的这一结果本周发表在由美国物理联合会出版的《物理与化学参考数据期刊》中。 阿伏加德罗常数约为6.022x10^23—这是一个数值大到不可思议的量，它大于地球上所有沙粒的总数，也大于宇宙中所有星体的总量。阿伏加德罗常数表达了“一摩尔”物质中原子或者分子的数量，是一种将微小粒子归并成更有意义的量的有效方法。比如，一摩尔的水仅是几茶匙的液体。阿伏加德罗常数与其他一些物理常量相关联，因此它的数值可被用来描述其他的单位，例如千克。 该团队在过去曾多次计算出阿伏加德罗常数。每次的方法都是通过计算出一千克高纯度Si28球体内的原子总数而获得阿佛加德罗常数值。因为当硅结晶时，内部结构会形成一个个含有八硅个原子的立方晶胞。通过测量立方晶胞，可计算出球体体积与单个硅原子所占空间的比例，从而得到球体中原子的总数。 今年早些时候，该研究组测得了新的阿佛加德罗常数，测量的不确定性在小于每十亿个原子相差20个原子以内—这比研究组在2011年所测得的误差每十亿个原子相差30个原子更为精确。因为两个数值均有一定程度的不确定性（尽管很小），但为了获得更为精确的数值，研究者们将二者相关联之后取平均得出一个更为中立的值，即 6.02214082(11)x10^23。括号中的数字表示结果中最后两位估值数字的不确定性。 从阿佛加德罗常数到千克 目前，一千克质量的物理标准是来自一个大小如高尔夫球的铂铱圆柱体，目前存放于法国塞弗尔（Sevres， France）的国际度量衡局。但是在科技全球化的今天，只有一个千克原器并且其他一切都必须据此进行校准，本身是影响进步的障碍。况且，千克原器自身也会随着时间的推移，因表面反应而出现质量上微妙的偏差。 这就是为什么国际计量界正在重新定义千克，这次的定义是基于物理常量而非一个实际物体。经过多年的讨论和研究，千克将于2018年基于普朗克常数而被正式重新定义。 但是，重新定义SI单位要远复杂于更新字典。“在重新定义千克之前，我们必须证明在世界最好的平衡精度范围内，新的实现方法和现有的是不可区分的，”论文的主要研究者之一Giovanni Mana说。 “否则，从目前的定义重新改变为新的定义时，所有科学界，工业界和商界的用户都必须改变现有相关器具的质量值。“这种调整将既耗时又不方便，同时也将会带来很多误差。” 这就是阿佛加德罗常数的用武之地。在基于普朗克常数创建一个新的千克定义时， 计量学家首先要确定普朗克常数的数值足够精确可靠。而普朗克常数可以从阿伏加德罗常数和其他已知的更为精确的常量推导出来（反之亦然）。因此阿伏加德罗常数更精确的定义也可以“校准”普朗克常数的定义。 尽管确定阿佛加德罗常数并没有正式成为定义质量单位的标准，但计数硅原子依然是检验基于普朗克常数的新标准准确性的重要方式，也是检验该标准在实际应用中准确性的一种方法。而通过两种不同方法测量出的千克也应密切相互一致。 最终，千克的重新定义会使很多实验室更容易获得精确测量。“在计量学中，必须确保独立和民主，要避免某一个国家或实验室的垄断地位，”Mana说。确定阿佛加德罗常数新数值朝这个方向迈出了一小步。 “重新定义千克的技术缺失是重新定义整个计量单位系统的最大障碍。计量单位系统的重新定义有望为精确测量带来更坚实的基础和可靠性，为科学技术的进一步搭建了舞台，”Mana说。（美国物理联合会 张铮铮） |
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