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2018-10-01SI基本單位的重新定義 586 期

Author 作者 吳玉忻(右上)、陳士芳(左上)、蔡淑妃(右下)、 劉信旺(左下)/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】