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即將被棄用的千克原器 - 真空技術在質量的全新定義中起著至關重要的作用

2018-1-2 10:21| 發布者: admin| 查看: 2396| 評論: 0|來自: 普旭真空

摘要: 在七個基本單位中,千克是唯一一個以真實物體做定義的單位:保存在巴黎的國際千克原器(IPK)。未來這將有所改變;質量的全新定義將基于自然常數。為此所需的實驗基本步驟需要在真空中進行。 網球大小、銀色、近 ...
         在七個基本單位中,千克是唯一一個以真實物體做定義的單位:保存在巴黎的國際千克原器(IPK)。未來這將有所改變;質量的全新定義將基于自然常數。為此所需的實驗基本步驟需要在真空中進行。 

          網球大小、銀色、近乎完美的圓球——這是不久后將取代巴黎IPK鉑銥合金圓柱體的水晶球。它由科學家以高純度硅制造;其重量與千克原器精準相等。 

在真空中更輕 

        為了比較硅球質量與千克原器,將它們分別在大氣條件和真空中稱重。在真空中測量不受空氣浮力和對流的影響,其測量結果與大氣壓力下的測量結果差異不太大。因為空氣中的微小粒子會沉積在物體表面,因此真空中的物體會稍輕一點。稱重水晶球時,這些粒子實際上可能會產生近10微克的平均偏差。 

        為了設計一個無偏差的公式來定義千克,物理學家必須確定球體中硅原子的數量。借助非常精準的球形和完美的晶體結構,可精確計算出來。但為了達到所需精確度,研究人員在 1 億個原子中最多只能錯算一個原子。如果實驗成功,則千克的定義可以基于自然常數:硅28的原子量。 

真空確保純度 

        為準確確定原子的數量,硅必須非常純凈。因此,單晶固體要在真空中生長,以保證完美質量。要做到這一點,需將純凈、均質的硅放在拉晶機坩堝中,加熱到熔點以上幾度。然后再將一個高純度小單晶(又稱種子晶體)投入熔融質量中。液態硅將固化在種子晶體上,并在此過程中繼續構建其常規晶格結構。通過緩慢的旋轉和向上運動,形成圓柱形水晶柱;之后,將硅球從水晶柱上切割下來。 

        經由此方式制造及隨后拋光的球體結構近乎完美:球體任何位置的直徑差異都不超過100納米。如果按此比例遷移到地球上,則任何山的高度都不超過五米。 

兩年的測量實驗 

        為了確定體積,必須以光學方法精確測量硅球表面大約一百萬個點。研究人員使用x射線干涉儀確定晶格中各原子之間的距離。獲得此數據后,可從理論上計算適合此體積的原子數量。 

        硅球內部由常規晶格組成,但表面會形成一層二氧化硅。這層二氧化硅會影響球體的質量和體積,因此物理學家必須精準確定其厚度,并在計算時考慮在內。之后,通過X射線熒光光譜和光電子能譜,對球體進行分析。此分析也要在真空中進行:將球體放在真空約10-8mbar的超高真空系統中分析,這樣光子和電子不會被空氣粒子吸收,并能暢通無阻地到達探測器。 

        研究人員計劃花費兩年左右時間來測量水晶球。歷經近130年,千克原器有望在2018年秋季被取代。 

        普旭(Busch)將為全球的研究機構和實驗室應用提供真空系統。 

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