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Analytical Chemistry
C&EN 中文版
重新定义千克和摩尔
第26届国际计量大会表决，将依据物理常数重新定义所有国际制单位
by Laura Howes
November 26, 2018
| A version of this story appeared in
Volume 96, Issue 47
Credit: 图片来源：Physikalisch-Technische Bundesanstalt
这种球形干涉仪所测量的硅球直径可精细至几纳米，从而可以定义阿伏加德罗常数。
今天早些时候，在巴黎附近进行的一次投票之后，科学教科书将会罕见地被改写。
Credit: 图片来源：德国联邦物理技术研究院/国际度量衡局
国际千克原器被放置于巴黎，它是一个圆柱体，目前被用于定义千克，但很快就会退出历史舞台。
在凡尔赛宫的国会大厅，计量学家们举行了一次会议，投票表决重新定义国际单位制（SI）中的四个基本计量单位：安培、开尔文、千克和摩尔。它们将与米、坎德拉和秒一样，其定义将不会以实物为参考，而是以基本物理常数为参考。科学家表示，用物理常数重新定义这些单位，将使各种测量更加精确和稳定。因此，来自60多个国家的参会者兴高采烈、全体一致通过了投票。
被重新定义的单位将于2019年5月20日的世界计量日生效，这是通过多年工作、讨论和竞争的结果。此举使研究人员能够以极高的精准性来测量自然界的基本常数。德国联邦物理技术研究院（PTB）的Frank Härtig表示，尽管大多数人都不会注意到这种变化所带来的影响，但测量精度的提高将会使国际单位制系统更加稳健。“我们有了全新的可能性。”他解释到，并补充说，随着分析技术变得更先进，可以测量更少量的样品，新的定义能够确保这些测量是精确的。
从1889年开始，国际单位制的质量单位千克被定义为等于国际千克原器（IPK）的质量。国际千克原器是一个铂/铱合金所铸成的圆柱体，收藏于位于巴黎附近的国际度量衡局。美国国家标准与技术研究院（NIST）的Bill Phillips在凡尔赛的会议上，称这种情形使人感到丢脸。
国际千克原器是在19世纪80年代制造的，与此同时还有其它几个相同的标准圆柱体也被制造出来，被分发到不同国家。 经年累月，国际千克原器与其它标准圆柱体相比，已经丢失了部分质量。
这种质量的变化造成的不确定性也会影响摩尔。 化学家使用的摩尔是用来定义原子或分子数量的国际单位，自1971年以来就根据其与千克的关系，被定义为“与0.012千克的碳12原子数一样多的某一系统中的物质的量“。
从2019年5月开始，千克将会根据普朗克常数来定义，并且摩尔也将被定义为等于阿伏加德罗常数的实体数量。类似地，安培将根据单个质子所携带的电荷来定义，被称为“基本电荷”，而开尔文将根据玻尔兹曼常数来定义。为了实现这一转变，科学家必须采用高可靠性的方法精确地测量这些常数。该项工作已经进行了10多年，并且取得了多项技术突破。正如Härtig所描述的那样，这项研究一直是“朋友之间的竞争” ——不同的计量机构争先恐后地测量这些常数的最准确值。
为了定义普朗克常数的值，有两种独立的测量方法相互竞争。最终“基布尔天平” 获胜，被测物体的质量所产生的重力被电流流过悬浮在磁场中的线圈时所产生的磁力抵消了。两个不同的“基布尔天平”（一个在美国国家标准与技术研究院，另一个在加拿大国家研究委员会）分别测量了普朗克常数的值，将普朗克常数定义为6.62607015 × 10−34焦耳.秒。
而没有被采纳的另一种测量普朗克常数的方法（被称为计数方法），实际上反而被用于定义阿伏加德罗常数。由Härtig带领的德国物理技术研究院的团队创造了富含同位素硅28的极其精确的球体，并用干涉法测量了这些球体的体积。美国国家标准与技术研究院的Robert Vocke和Savelas Raab随后用质谱法确定了晶格中硅同位素的精确比例。由于球体的精确体积和晶格的组成已知，科学家们可以确定阿伏加德罗常数的值为6.02214076 × 1023 /摩尔。
回到课堂，那些将被重写的教科书实际上可能会让学生更容易理解摩尔的概念。普渡大学的Marcy Towns说，从教学上来说，新的摩尔定义不是一个很大的变动。她解释说： “如果学生阅读教育文献，他们就能够理解摩尔的定义是6.022 x 1023 颗微粒（教师也通常使用这个定义），而不是将摩尔定义为与千克有关的单位。”Towns知道这些，是因为她作为国际纯粹与应用化学联合会术语、命名&符号委员会的一员，已经对本次单位的重新定义进行了多次评审。
多个知情人与C&EN就此事进行了交谈，他们将重新定义这些国际标准单位的任务描述为他们科学事业的一个亮点、成为改写时代大事件成员的一次千载难逢的机会。 他们强调通向新定义的哲学变革，而这些新的定义将会在地球以外的太空依然有效。人们不需要通过地球上的官员寄出一个国际千克原器或其他标准物去解释这些单位。Härtig解释说：“当我们提到’千克’时，其他的智慧文明将能够理解我们在说什么。”.
该报道由李杰 为C&EN翻译。文章的原始英文版本如下.
Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
Copyright © 2024 American Chemical Society
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