质量自然基准的研究进展及发展方向

　　1　前　言

　　质量基准—千克原器是现有7个基本量中唯一的实物基准,它是铂(90%)、铱(10%)合金,于1878年由英国制成。铂铱合金千克原器具有较好的稳定性,其量值复现的相对标准不确定度可达10-9数量级。但是,实物基准受环境的影响较大,污染物、灰尘、水分及对其清洗都会造成不确定度的变化。在1889年、1946年、1989年进行的国际比对表明,千克原器的不确定度每次比对都有10-8量级变化。此外,实物基准还有易损坏、材料老化等问题。

　　质量自然基准所复现的应是一个不随时间变化的恒量,目前期望的复现不确定度为1×10-8。随着现代测量技术的发展,要求复现准确度越来越高,质量实物基准必将被质量自然基准所代替。

　　2　质量自然基准的研究进展

　　实现质量自然基准的主要方法目前有3种:X射线单晶密度法测定阿伏伽德罗数(单晶硅粒子法);移动线圈功率天平测量普朗克常数(电学方法);晶粒收集法。

　　2·1　X射线单晶密度法(单晶硅粒子法)测量NA

　　(1)阿伏伽德罗数的概念

　　阿伏伽德罗数NA是12 g的12C(碳)原子所含的原子数,即1摩尔物质所含的原子数,它是计量科学中一个十分重要的物理常数,用于定义计量学中7个基本物理量中的2个,即质量和摩尔。此外,NA还用于相关的物理常数的计算,例如,①玻耳兹曼常数:k=R/NA,其中R为普适气体常数;②普朗克常数:h=cAr(e)M0α22R∞NA,其中c为真空中光速,Ar(e)为电子的相对质量,M0为摩尔质量,α为精细结构常数,R∞为里德伯常数。

　　(2)阿伏伽德罗数的研究

　　用晶体法测定NA是一种比较成熟的方法,单晶硅因其独特的性能而被用作研究NA的首选材料。按照定义,NA可表示为:

　　其中M0为硅原子摩尔质量,ρ为硅物质的宏观密度,V0和n分别为晶胞体积和晶胞粒子数。目前的研究进展如下[1,2]:①单晶硅摩尔质量测定,相对不确定度10-8数量级。②晶格常数测定,相对不确定度10-8数量级。③硅球密度测量是测量NA的难点和关键,对能否实现质量自然基准有以下重大作用:(a)硅球密度的测量不确定度比其它影响量(如单晶硅摩尔质量、晶格常数等)低近1个数量级,成为NA研究的瓶颈。(b)硅球密度测量装置最有可能用于实现质量自然基准的量值传递,即将质量最终溯源到长度基准,包括粒子法或电学方法定义的质量基准。(c)硅球密度测量装置本身是一套高准确度的固体密度基准。国外有日本(NMIJ)、澳大利亚(CSIRO)、德国(PTB)、英国(NPL)、美国(NIST)、意大利(IMGC)等十几个国家参与了NA的研究,主要内容包括基准硅球的研制和硅球直径(体积)的测量。因为单晶硅基准球的球面度直接影响硅球体积的准确度,目前研究水平最高的实验室是澳大利亚的CSIRO,最新进展已达球面度优于50 nm。图1为利用精密激光器(Fabry-Perot干涉仪)测量球径的基本原理示意图[1]。长度测量的基本原理为,利用不同频率激光器的干涉条纹精确计算总干涉级次N,利用对Fabry-Perot标准具的位移扫描确定干涉级小数ε,基准球基径D可表示为: