工研院引入最新硅晶球法,飘忽不定的质量单位「公斤」终能精準量测

2020-07-08    收藏138
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工研院引入最新硅晶球法,飘忽不定的质量单位「公斤」终能精準量测

从我们还在小学的时候课本就有教过,1 公斤等于 1 千公克,但 1 千公克有多「重」,又是怎幺定义的呢?自法国大革命以来,法国成为世界上第一个使用十进位量度系统「公制」的国家,1875 年后改由国际度量衡大会(Conférence générale des poids et mesures,CGPM)管理并推广到全球。1899 年国际度量衡大会一声令下,将国际公斤原器(International Prototype of the Kilogram,IPK)视为质量的基本单位,从此 1 公斤就是以这块 90% 铂及 10% 铱组成的合金圆柱体定义。

现行的国际单位制包含时间(秒,second)、长度(公尺,metre)、质量(公斤,kilogram)、电流(安培,ampere)、绝对温度(克耳文,Kelvin)、物量(莫耳,mole)和光度(烛光,candela)等七大基本单位,此制度从 1948 年开始建立,于 1960 年正式公布为国际单位制(Système international d’unités,简称 SI),随后也成为国际标準的公制系统。

质量单位重新定义,为什幺?

除了质量单位以外,其他度量衡标準单位,都已根据固有自然常数而重新定义。原本长度单位「公尺」在 1983 年以前也是用一根金属棒代表,但后来重新定义为光在真空中运行 1/299,792,458 秒的距离。

以实物(国际公斤原器,IPK)定义质量单位标準的风险在于,若是 IPK 的质量产生些微变化,那幺 1 公斤的标準也会随之改变。IPK 与六个複製品都存放在国际度量衡局(BIPM)巴黎总部下层的储藏室内,受到严密监控,每隔约 50 年就要互相比对一次。然而,即便 IPK 被仔细保存呵护,每次秤重前也必先以酒精和乙醚擦拭,并经过蒸气清洁,但其重量和其他複製品相比却持续相对减轻,至 2011 年为止可能已减轻达 50 微克。

工研院引入最新硅晶球法,飘忽不定的质量单位「公斤」终能精準量测

 国际公斤原器的电脑示意图。 

虽然差异看似极小,但在半导体或生技医疗等高端产业,牵一髮就会动全身并引发各种问题,随着科技越加讲求精密,这些误差是不被允许的。此外,一个不断变动的公斤单位,也会导致量测其他现象时不够精準,像是压力、能量等。于是到了 2011 年,国际度量衡大会全体一致赞成,改以一个物理常数来重新定义公斤,不再以实体器具为标準,届时国际公斤原器 IPK 将走入历史。

工研院引入最新硅晶球法,飘忽不定的质量单位「公斤」终能精準量测

预计 2018 年新标準通过后,国际单位制的定义将由左图改为右图。基于经修正数值后的物理常数,以及基于同样物理常数而衍生的其他基本单位。

硅晶球大法好,为实现普朗克常数定义公斤的方式之一

顺应这个趋势,国际度量衡委员会(CIPM)随即启动重新定义质量的研究,决定採用更稳定的量子力学常数──普朗克常数(h)来重新定义「公斤」,确保量测技术的稳定性。普朗克常数是一个物理常数,用来描述物理作用量之大小,在量子力学领域占关键角色。普朗克常数用以描述光子能量与频率之间的关係,以及基本粒子物质波波长与动量间之关係。实现普朗克常数所定义公斤的方式有两种,一种为瓦特天平法(watt balance),2016 年则正式改名为「基布尔天平(Kibble balance)」;另一种则为 X 光晶体密度法(XRCD method),就是硅晶球法,也是目前物量单位(莫耳,mole)最準确的实现方法。

工研院引入最新硅晶球法,飘忽不定的质量单位「公斤」终能精準量测

硅晶球法透过计数硅晶球中硅原子数量的方式来实现新公斤定义。取自自然界的硅经过纯化、长晶、切割、研磨与抛光多道程序,製造出硅 28 同位素纯度超过 99.99%、直径为 93.7mm 且真圆度为数十奈米的完美球体,藉由计数硅晶球内含有多少颗硅原子,再乘以单颗硅原子平均质量实验数值(此数值与普朗克常数联结),来算出硅晶球的质量。

德製高纯度硅晶球,协助台湾产业加速升级

为维持国家最高计量标準,并满足科技、产业、民生及安全等量测仪器的追溯校正需求,台湾曾在 1995 年向国际度量衡局购买编号第 78 号「铂铱公斤原器」,保存在工研院的「国家度量衡标準实验室」,每十年还要送回去追溯一次,并将标準传递至国内二级实验室的标準砝码,最终普及至业界的质量量测仪器。如今,随着质量单位「公斤」重新定义,工研院率先订製了德国联邦物理技术研究院製作的高纯度硅晶球。此硅晶球目前只生产四颗,一颗售价 100 万欧元(约新台币 3,500 万元),台湾是全球第一个购买的国家,这也是全球第二颗(第一颗在德国本土)。

工研院引入最新硅晶球法,飘忽不定的质量单位「公斤」终能精準量测

2018 年 11 月展开的第 26 届国际度量衡大会,预计通过国际计量单位重新定义,并于 2019 年 5 月 20 日起正式实施,使国际有共同一致标準。工研院表示,德製硅晶球日后成为原级质量标準后,原先为质量最高标準的 78 号铂铱公斤原器,将降为二级标準,以确保公斤数值的稳定性,使台湾的质量标準与世界各国一致。标準检验局也将强力支持工研院积极进行新公斤质量量测系统建置,希望掌握精密的量测数据,藉此协助推动高科技产业进展。

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