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即将被弃用的千克原器 - 真空技术在质量的全新定义中起着至关重要的作用

2018-1-2 10:21| 发布者: admin| 查看: 288| 评论: 0|来自: 普旭真空

摘要: 在七个基本单位中,千克是唯一一个以真实物体做定义的单位:保存在巴黎的国际千克原器(IPK)。未来这将有所改变;质量的全新定义将基于自然常数。为此所需的实验基本步骤需要在真空中进行。 网球大小、银色、近 ...
         在七个基本单位中,千克是唯一一个以真实物体做定义的单位:保存在巴黎的国际千克原器(IPK)。未来这将有所改变;质量的全新定义将基于自然常数。为此所需的实验基本步骤需要在真空中进行。 

          网球大小、银色、近乎完美的圆球——这是不久后将取代巴黎IPK铂铱合金圆柱体的水晶球。它由科学家以高纯度硅制造;其重量与千克原器精准相等。 

在真空中更轻 

        为了比较硅球质量与千克原器,将它们分别在大气条件和真空中称重。在真空中测量不受空气浮力和对流的影响,其测量结果与大气压力下的测量结果差异不太大。因为空气中的微小粒子会沉积在物体表面,因此真空中的物体会稍轻一点。称重水晶球时,这些粒子实际上可能会产生近10微克的平均偏差。 

        为了设计一个无偏差的公式来定义千克,物理学家必须确定球体中硅原子的数量。借助非常精准的球形和完美的晶体结构,可精确计算出来。但为了达到所需精确度,研究人员在 1 亿个原子中最多只能错算一个原子。如果实验成功,则千克的定义可以基于自然常数:硅28的原子量。 

真空确保纯度 

        为准确确定原子的数量,硅必须非常纯净。因此,单晶固体要在真空中生长,以保证完美质量。要做到这一点,需将纯净、均质的硅放在拉晶机坩埚中,加热到熔点以上几度。然后再将一个高纯度小单晶(又称种子晶体)投入熔融质量中。液态硅将固化在种子晶体上,并在此过程中继续构建其常规晶格结构。通过缓慢的旋转和向上运动,形成圆柱形水晶柱;之后,将硅球从水晶柱上切割下来。 

        经由此方式制造及随后抛光的球体结构近乎完美:球体任何位置的直径差异都不超过100纳米。如果按此比例迁移到地球上,则任何山的高度都不超过五米。 

两年的测量实验 

        为了确定体积,必须以光学方法精确测量硅球表面大约一百万个点。研究人员使用x射线干涉仪确定晶格中各原子之间的距离。获得此数据后,可从理论上计算适合此体积的原子数量。 

        硅球内部由常规晶格组成,但表面会形成一层二氧化硅。这层二氧化硅会影响球体的质量和体积,因此物理学家必须精准确定其厚度,并在计算时考虑在内。之后,通过X射线荧光光谱和光电子能谱,对球体进行分析。此分析也要在真空中进行:将球体放在真空约10-8mbar的超高真空系统中分析,这样光子和电子不会被空气粒子吸收,并能畅通无阻地到达探测器。 

        研究人员计划花费两年左右时间来测量水晶球。历经近130年,千克原器有望在2018年秋季被取代。 

        普旭(Busch)将为全球的研究机构和实验室应用提供真空系统。 

        欲了解更多内容,请发送邮件至info@busch-china.com 或关注我司微信公众号。 


普旭真空设备国际贸易(上海)有限公司 市场部 

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