普朗克常數重新定義「一公斤」原器標準

2020-11-24 電子工程專輯

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世界上所有的測量結果都可以追溯到「國際單位制」(Système International d'Unités；SI Units)。國際單位制以七個基本單位為基礎，並由此推導出各種可相互換算的測量單位。多年來，測量的定義——安培(ampere)、燭光(candela)、開爾文(kelvin)、公斤(kilogram)、米(meter)、摩爾(mole)以及秒(second)——都已經過重新定義，因而都是以自然發生的現象為為基礎，例如普朗克常數(Planck’s Constant)等。基於實物定義的最後一個SI單位——公斤，最近終於也重新定義了。AlGEETC-電子工程專輯
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在此之前，所有的質量測量的標準源於存放在法國巴黎近郊國際度量衡局(International Bureau of Weights and Measures；BIPM)的單一物件——國際公斤原器(International Prototype of the Kilogram；IPK)，自1884年被鑄造成為公斤的標準以來一直存放在此。AlGEETC-電子工程專輯

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以人造製品作為測量單元的世界標準存在兩個根本問題。首先，它的值可能隨時間發生改變。但是，由於它是世界標準，我們無從得知它是如何變化的，因為它就是標準。如果世界標準發生變化，那麼以它為基礎的所有測量值也會發生變化。AlGEETC-電子工程專輯

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基布爾天平使用電磁力測量質量AlGEETC-電子工程專輯
（來源：NIST）AlGEETC-電子工程專輯

第二個問題是，你不可能在每次需要校準時，都把每個質量測量裝置帶到法國。因此，美國的國家標準暨技術研究院(NIST)和英國的國家物理實驗室(NPL)等國家標準實驗室都設有自己的公斤標準，並且會定期將這些標準帶到法國與原器進行比較。然後再使用國家標準來比較其他標準，之後再用於與另一標準進行比較，或是將標準用於校準測量儀器。因此，您需要記錄一連串與原器進行的比較與校準，以便確認質量測量的可信度。AlGEETC-電子工程專輯

隨著2018年11月16日新版國際單位制的通過，新的公斤定義不必再與原器進行比較了。現在，國家實驗室就能夠建立自己的公斤標準，因為它雖然很難實現，但可以複製。計量學家需要擁有足夠的設備並遵循嚴格的步驟來製造自己的公斤標準，但這還是比依賴單一人工製品好多了。隨著新的定義出現，您無需再攜帶龐大的天平進行校準。如今，公斤不會改變了，而是根據其進行定義的方式而異。AlGEETC-電子工程專輯

從2019年5月開始，公斤的定義將是： 當以單位J s表示時，普朗克常數h的固定值為6.626 070 15×10-34，即等於kgm²s-1，與米和秒的關聯以c和Δv進行定義。AlGEETC-電子工程專輯

實現公斤的過程取決於一個稱為「基布爾天平」(Kibble balance)的工具。它使用了線圈和磁鐵，線圈中的電流施加已知的力，並且可以測量到足夠精確的電流。因為電流的定義已經根據磁場力確定，所以它可以用於導出向上的力，用於比較未知物體的質量。當力相等時，可以測量未知物體的質量。電壓和電流的測量基於普朗克常數。有關基布爾天平如何運作的詳細說明，請參閱NIST的Kilogram: The Kibble Balance。AlGEETC-電子工程專輯

由於基布爾天平已經存于于國家計量實驗室，如今全球都可以重建自己的公斤原器標準了。AlGEETC-電子工程專輯

編譯：Susan Hong, EET TaiwanAlGEETC-電子工程專輯

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相關焦點

  • 普朗克常數改寫「公斤」定義
    多年來，測量的定義——安培(ampere)、燭光(candela)、克耳文(kelvin)、公斤(kilogram)、公尺(meter)、莫耳(mole)以及秒(second)——都已經過重新定義，因而都是以自然發生的現象為為基礎，例如普朗克常數(Planck’s Constant)等。基於實物定義的最後一個SI單位——公斤，最近終於也重新定義了。
  • 從實物原器到常數定義 千克還是那個千克
    「SI重新定義，意味著所有SI單位將由描述客觀世界的常數定義。重新定義開啟了任意時刻、任意地點、任意主體根據定義實現單位量值的大門，對經濟、科技與民生等都將產生深刻影響。」湖北省計量測試技術研究院副院長湯雄在文章中指出。　　然而，為了讓1千克成為更準確的1千克，確定標準後，研究者為了找到合適的操作方法，還有不少工作要做。
  • 千克原器退役!新標準重新定義千克
    11月16日，在新一屆國際計量大會上，科學家們通過投票，正式讓國際千克原器退役，改以普朗克常數（符號是h）作為新標準來重新定義「千克
  • 大家可能聽聞過國際米的原器,但你肯定不知道公斤的原器!
    「米」的定義起源於法國，1米的長度最初定義為通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點的距離的千萬分之一，並與隨後確定了國際米原器。大家都聽說過這個情況吧，1983年，米的長度被重新定義為「光在真空中於1/299 792 458秒內行進的距離」。
  • 「國際千克原器」或退休 度量衡大會將重新定義「千克」
    據路透社11月12日報導，1967年對秒的重新定義有助於讓世界各地通過全球定位系統和網際網路等技術開展的交流更加順暢，同樣，專家認為，改變千克的定義對技術、零售和健康都有好處。報導稱，自1889年以來，千克一直由存放在巴黎的一個閃閃發光的鉑銥合金圓柱體——「國際千克原器」來定義。
  • 從今天開始 千克被重新定義 千克不再是我們熟悉的那個千克
    2018年11月16日，在第26屆國際計量大會上通過了一份《修訂國際單位制》的決議，正式修改了千克、安培、開爾文和摩爾四個國際單位的定義。千克被重新定義為「對應普朗克常數為6.62607015×10^-34J·s時的質量單位」。
  • 「千克」原器失準 國際計量大會將用物理常數重新定義「千克」
    一個多世紀以來，這個國際標準質量單位都是由一塊高爾夫球大小的鉑銥合金圓柱體「大K」定義。但經不住歲月的侵蝕，這件原器已經難以適應現代的精密測量要求，重量早已不再是「1千克」了。 於是，它是時候該「退休」了。據美聯社11月13日消息，11月16日，四年一度的第26屆國際計量大會將在巴黎凡爾賽宮舉行，屆時，數百名科學家將以精確穩定的物理常數重新定義「千克」。
  • 今天全世界重量定義要變了?原國際千克原器廢棄,新定義開始生效
    不過今年5月20日將意義非凡，標誌一個時代的結束和另一個新時代的開始，因為存放在法國巴黎的國際千克原器（IPK）將被廢棄，而新定義的重量單位將開始生效。國際單位制基本單位（SI）一共有7個，長度單位米，質量單位千克，時間單位秒，電流單位安培，熱力學溫度單位開爾文，物質的量單位摩爾，發光強度單位坎德拉。其中有四個單位並不是基於物理常數-普朗克常數，安培，開爾文，摩爾和千克。
  • 標準 |「千克」將重新定義
    國際度量衡委員會（CIPM）計劃在2018 年 11 月召開大會，對質量單位「千克」 進行重新定義，改用普朗克常數測量值為基準。
  • 國際千克單位標準將改為基於普朗克常數度量
    國際千克原器由鉑銥合金（90%的鉑，10%的銥）製成，用於規定全世界的「千克」。
  • 它就要重新定義了
    ：從實物到基本物理常量千克最初的定義是4 ℃時一立方分米水的質量，這是1799年由法國科學家提出來的，並以這個標準製作了純鉑的千克原器作為1千克的國際標準。過了將近一個世紀，由於鉑銥合金更加穩定，1889年科學家們用鉑銥合金代替了純鉑的千克原器，然後這個千克原器一直被使用到現在。也就是說，我們使用的千克的定義一直是以國際千克原器這個實物為標準的。這樣的千克定義雖然簡單，但是卻存在一些根本性的困難。
  • 1千克的標準是怎麼定義的
    眾所周知，我們日常使用的各項計量單位，諸如米、小時、公斤給我們來帶了莫大的便利。
  • 「千克」原器失準 科學界更新定義
    「千克」原器失準　科學界更新定義沈敏「1千克」多重？這一國際標準質量單位近130年來由一個小巧的鉑銥合金圓柱體定義。這一「國際千克原器」保存在法國首都巴黎西郊一間地下儲藏室內，擋不住歲月和汙染導致的細微變化，難以適應現代精密測量要求。全球數百名科學家定於16日匯聚巴黎西郊凡爾賽宮，參加第26屆國際計量大會，正式以一個物理常數定義「千克」，讓那塊外號「大K」的圓柱體退役。
  • 美公布普朗克常數最精確測量結果
    CIPM計劃在2018年11月召開大會，對質量單位「千克」進行重新定義，改用普朗克常數測量值為基準。　　在國際單位制的7個基本單位中，只有質量單位「千克」用實際物體定義，其他單位都是以自然常數定義。定義「千克」的實物，是一塊用90%鉑和10%銥打造的標準砝碼，即存放在法國國際標準局保險箱內的國際千克原器（IPK）。
  • 千克新定義或將問世 數學常量代合金原器—新聞—科學網
    千克新定義或將問世 數學常量取代合金原器     由於國際千克原器出現質量變化，科學家們計劃使用數學常量重新定義千克   騰訊科學訊 據國外媒體報導，現在千克的定義能夠追溯到125年以前，科學家們將一個鉑銥合金的圓柱體作為1千克的標準重量，也就是我們所謂的國際千克原器。
  • 「千克」瘦了,今天重新定義 會不會影響你買菜
    法國時間今日（16日）下午，科學家們將投票決定是否採用物理上的普朗克常數來重新定義千克。對此，在國際計量局工作的清華大學科學家李世松博士告訴紅星新聞記者，「懸念不大」。小到日常買菜，大到航空航天，千克都是常用的計量單位。那麼為何要重新定義？是否會對普通生活產生影響？以及會對科學界產生怎樣的影響？
  • 科學界剛剛確定,重新定義千克單位(公斤),以後體重該這樣算了
    在一個多世紀100多年以來，人們一直都是按國際標準質量單位來定義千克（公斤），這個定義是由一個直徑≥1.535英吋(39mm)大小和高爾夫球差不多大的鉑銥合金圓柱體「大K」定義，雖然科學家們這麼長時間一直都是小心又小心的保護「大K」，但是還是受不了時間的侵蝕，這件原本定義千克單位的原器已經逐漸不能應對現在的精密測量了
  • 【E.N.】再見,千克原器;歡迎你,新普朗克常數!
    北京時間昨天晚上9點過，第26屆國際計量大會（CGPM）投票一致通過了1號決議，批准了國際單位制基本單位定義的修改，新普朗克常數、玻爾茲曼常數、阿伏伽德羅常數、元電荷值成為單位標準。人類從此宣告與實物單位完全告別，進入了自然單位時代，見證歷史的時刻！
  • 質量單位——千克的重新定義
    作為唯一實物基準的國際千克原器的穩定性受到科學家們的質疑，科學家們開始致力於質量單位的重新定義。有科學家提出，可以使用自然界中的基本物理常數來重新定義質量單位。因為這些物理常數的定義不會改變，用它們來定義包括千克在內的基本單位，就再也不用擔心隨時間推移會影響單位的量值了。
  • 我國具備普朗克常數測量能力
    成為國際上第4個可以獨立測量普朗克常數的國家