你知道長度單位米的由來嗎?他曾經和化學親密接觸過!

2020-12-05 初中化學大師

我們總是對身邊的事物習以為常,就像我現在問你一米的長度是誰規定的?這個……一米就是一米啊!

為此筆者特意查閱了相關資料發現裡面大有文章。

國際單位制的長度單位"米"(meter,metre)起源於法國。1790年5月由法國科學家組成的特別委員會,建議以通過巴黎的地球子午線全長的四千萬分之一作為長度單位──米,1791年獲法國國會批准。為了製造國際計量局保存的米原器出表徵米的量值的基準器,在法國天文學家捷梁布爾和密伸的領導下,於1792~1799年,對法國敦刻爾克至西班牙的巴塞隆納進行了測量。1799年根據測量結果製成一根3.5毫米×25毫米短形截面的鉑杆(platinum metre bar),以此杆兩端之間的距離定為1米,並交法國檔案局保管,所以也稱為"檔案米"。這就是最早的米定義。

由於檔案米的變形情況嚴重,於是,1872年放棄了"檔案米"的米定義,而以鉑依合金(90%的鉑和10%的銥)製造的米原器作為長度的單位。米原器是根據"檔案米"的長度製造的,當時共制出了31隻,截面近似呈X形,把檔案米的長度以兩條寬度為6~8微米的刻線刻在尺子的凹槽(中性面)上。1889年在第一次國際計量大會上,把經國際計量局鑑定的第6號米原器(31隻米原器中在0℃時最接近檔案米的長度的一隻)選作國際米原器,並作為世界上最有權威的長度基準器保存在巴黎國際計量局的地下室中,其餘的尺子作為副尺分發給與會各國。規定在周圍空氣溫度為0℃時,米原器兩端中間刻線之間的距離為1米。1927年第七屆國際計量大會又對米定義作了嚴格的規定,除溫度要求外,還提出了米原器須保存在1標準大氣壓下,並對其放置方法作出了具體規定。

但是使用米原器作為米的客觀標準也存在很多缺點,如材料變形;測量精度不高(只能達0.1μm)。很難滿足計量學和其他精密測量的需要。另外,萬一米原器損壞,複製將無所依據,特別是複製品很難保證與原器完全一致,給各國使用帶來了困難。因此,採用自然量值作為單位基準器的設想一直為人們所嚮往。20世紀50年代,隨著同位素光譜光源的發展。發現了寬度很窄的氪-86同位素譜線,加上幹涉技術的成功,人們終於找到了一種不易毀壞的自然標準,即以光波波長作為長度單位的自然基準。

這一自然基準,性能穩定,沒有變形問題,容易復現,而且具有很高的復現精度。中國於1963年也建立了氪-86同位素長度基準。米的定義更改後,國際米原器仍按原規定保存在國際計量局。

隨著科學技術的進步,70年代以來,對時間和光速的測定,都達到了很高的精確度。因此,1983年10月在巴黎召開的第十七屆國際計量大會上又通過了米的新定義:"米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度"。這樣,基於光譜線波長的米的定義就被新的米定義所替代了。

實際上,米是被定義為光在以鉑原子鐘測量的0.000000003335640952秒內走過的距離(取這個特別的數字的原因是,因為它對應於歷史上的米的定義--按照保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個刻度之間的距離)。同樣,我們可以用叫做光秒的更方便更新的長度單位,這就是簡單地定義為光在一秒走過的距離,我們在相對論中按照時間和光速來定義距離,這樣每個觀察者都自動地測量出同樣的光速(按照定義為每0.000000003335640952秒之1米)。沒有必要引入以太的觀念,正如麥可遜--莫雷實驗顯示的那樣,以太的存在是無論如何檢測不到的。然而,相對論迫使我們從根本上改變了對時間和空間的觀念。我們必須接受的觀念是:時間不能完全脫離和獨立於空間,而必須和空間結合在一起形成所謂的空間--時間的客體。

原來簡單的概念背後也有這麼多故事!

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