千克自然化定义的发展现状

　　一、前言

　　千克是质量单位，它等于国际千克原器的质量。为满足计量学和国际贸易发展对高精度的要求，用自然常数定义千克是计量学发展的必然结果。20多年来，科技工作者一直在不懈地努力，试图通过实验手段将千克与电单位或自然常数在高精度下相关联。该实验可能能够达到足够好的重复性以监督国际千克原器的稳定性，并且在这些实验的基础上，以自然常数或基本物理常数为基础，通过自然定义千克而取代原有的千克定义。

　　新的千克定义将具有极大的优越性，因为自然常数具有时间不变性并与环境条件无关(最基本的假设)，类似的概念已引发了其他基本单位(如:米，秒)的自然定义。分析过去100年来对Pt一Ir千克原器所观测到的偏差，可以推论重新定义千克所需的实验重复性为10“‘量级范围，然而，到目前为止没有任何实验声明达到了这一重复性。

　　目前，国际上采用的实验方法有5种:1，功率天平;2.电压天平，3.磁悬浮;4.硅Avogadr。常数实验，5.离子收集方法(称重法)。大致一可以分为二种类型，前三种方法是将电单位与千克相关联，后二种方法是将Avogadr。常数或原子质量与千克相关联。下面就对各方法作一简要的介绍。

　　二、实验方法

　　1.功率天平

　　此方法为NPL和NIST所采用。

　　该装置又名“移动线圈功率天平”，基于不同的物理效应，具有二种实验模式。第一种实验模式采用以置换模式操作的等臂天平，一个悬挂在天平臂上的线圈被置于外磁场中，当龟流反向时，线圈中的电流I产生一个感生力，该力与l千克白金(铂)质量相应的重力相当;在第二种实验模式中，线圈在外磁场中以匀速度V围绕天平的平衡位置被移动一定的距离，速度V由激光千涉仪测量，在移动过程中，测量感生电压U。二种实验模式下的相应方程式合并得到:

　　若电流I以量子霍尔电阻RH二h/e“(h为普朗克常数，e为基本电荷)上的电压降U:作为测量值，而二个电压U。(重力模式)和U.二(移动线圈模式)是由Josphson电压U测量的，U=hf/(Ze)。那么，普朗克常数可以相应地被确定为:

　　式中fg，fm分别为重力模式和移动线圈模式中测量的对约瑟夫森结的微波辐射频率，n;，，ng，nm分别为量子霍尔效应和约瑟夫森效应的量子跃迁数。

　　为子避免空气浮力校正以及由于空气折射率引起的激光波长的校正，该移动线圈天平被封装在真空室内;同时又安装了质量交换机械装置，以比较具有不同表面积的二个质量标准在真空中由于解吸收效应而产生的质量变化。二个水平线圈被放置在永久磁铁环形间隙的辐射状磁通中，为调节线圈在磁场的几何中心，称重在线圈的不同垂直位置上进行。在移动线圈模式中，天平臂末端(点)的曲线路径以倾斜天平支柱的方法而相应地被校正。最近，NPL又购置了一台分辨率为10“。的绝对比重计。NPL声称已达到了1x10“7的重复性，将来有希望达到稍低于1xl。一吕的水平。