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2018-10-01SI基本單位的重新定義
586 期
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吳玉忻、陳士芳、蔡淑妃、 劉信旺／任職於國家度量衡標準實驗室分別負責力學與醫學計量研究室、電磁計量研究室、動態計量研究室、化學研究室。
今（2018）年11月預定在巴黎舉行的第26屆國際度量衡大會（CGPM），將正式採用國際單位制（International System of units, SI）基本單位之重新定義，並預定在2019年5月20 日的世界計量日正式施行。SI是世界上最普遍的標準度量系統，包含了7 大基本量（長度、質量、時間、電流、溫度、物量以及光強度）。為追求長期穩定的標準，SI重新定義的趨勢為利 用自然界的物質或是基本常數來取代過去的人為物，並於2011年的CGPM會議上達成共識，質量（kg）以普朗克常數（Planck constant）h、電流（A）以電子電量（elementary charge）e、溫度（K）則以曼常數（Boltzmann constant）k以及物量（mol）以亞佛加厥數（Avogadro constant）NA重新定義。為確保常數的精確性以及新舊定義間的一致性，CGPM與科學技 術數據委員會（CODATA）之中的基礎數工作組（TGFC）合作，收錄來自各國國家標準實驗室的量測結果，制定出精確的基本常數的數值，而上述4個常數已於2017年由CODATA 發布，其數值與對應之基本單位如圖一所示。此篇文章將介紹4個重新定義的SI基本單位：質量、電流、溫度和物量的發展歷程以及新的實現方法。
質量新定義：普朗克常數 （Planck constant）h
現今質量的定義起源於1989 年召開的第一屆國際度量衡大會，該次會議宣布1公斤等於國際公斤原器 （international prototype of the kilogram, IPK）的質量。IPK 是一個直徑與高皆為39公釐（mm）的圓柱體，其材質90％的鉑（Pt）與10％的銥（Ir）組成的合金（圖二a）。 IPK 與它的6個複製品這100多年來保存於法國巴黎附近塞夫爾（Sèvres）的國際度量衡局（BIPM）的地下室，以三層的玻璃鐘罩重重保護，使其不受外在環境的影響，而其他40個鉑銥合金複製品則是送往各個國家，作為各國的質量標準。
質量是現今7個SI基本量中最後一 個以人為物所定義的，要決定一個複製品法碼的質量需要與IPK進行質量 比較，即IPK的質量是1 公斤，我們可以透過質量比較法知道複製品與IPK之間的質量差值，決定出複製品的質量。但這個方法衍生出一個問題，若是IPK的質量起了些微的變化，那1公斤的標準也就隨之改變。IPK與他的6個複製品每隔一段時間就會進行質量比較，結果顯示他們之間的質量差值有逐年增加的趨勢，在2014年最大的差值已達到了50微克（μg），如圖二b所示。可是依據質量定義我們無法知道質量的改變是來自於複製品抑或是IPK，因此計量學家們決議以自然界不變量：普朗克常數重新定義質量。
普朗克常數是一個量子物理的常數，用以描述能量與電磁波頻率的關係。利用普朗克常數來實現質量的新定義的方式有2種，其一為瓦特天平法（watt balance），紀念已故的發明者基布爾博士（Dr. Bryan Kibble）， 2016 年則正式改名為「基布爾秤（Kibble balance）」；另一為X 光晶體密度法（XRCD method），又稱為矽晶球法，此方法亦為目前物量單位莫耳最準確的實現方法。
如圖三所示，瓦特天平法由英國國家物理實驗室（NPL）首先提出，分為靜態與動態模式2種。靜態模式的方法是在天平的其中一端施加法碼，另一端則是在輻射狀的磁場中放置線圈，當線圈通以電流I可以使天平達到靜力平衡 mwg＝ILB；動態模式中使線圈以等速v 移動則產生感應電動勢 V，將圖三的公式整理之後得到電功率與機械功率平衡VI＝mgv， 因此最初以功率的單位瓦特來命名，透過量子電量標準 V＝fh∕（2e） 與 RH ＝ h ∕（ie2），使質量連結到 普朗克常數。X光晶體密度法為國際亞佛加厥計畫（IAP）所發展之技術，參與者主要有德國聯邦物理技術研究院（PTB）、日本國家計量研究院（NMIJ）以及義大利計量研究院 （INRiM），透過計數矽晶球中矽原子數量的方式來實現新公斤定義。取自自然界的矽經過純化、長晶、切割、研磨與拋光多道程序，製造出 28Si純度超過99.99％、直徑為93.7 公釐且真圓度為數十奈米的完美球體，藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子來計算出矽晶球的質量（矽晶球質量＝矽原子質量×球體內矽原子數量）。......【更多內容請閱讀科學月刊第586期】