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国际千克原器

图为国际千克原器的电脑图像(CG)。国际千克原器就是千克。旁边是一把以英寸为单位的间尺。国际千克原器以合金制成,现存放于法国巴黎郊区的国际计量局BIPM)。跟其他原器一样,国际千克原器的边缘上各有一道四角凹槽,作用是将腐蚀最小化(虽然图中只能看见当中的三个角)。

国际千克原器International Prototype of the Kilogram,简称IPK)曾经是世界质量单位“千克”的标准砝码。2018年11月16日通过了新版国际单位制之后,原器已不再使用。目前存放于法国巴黎国际计量局中。

国际千克原器以合金铸造,因为铂铱合金有膨胀率低、不易氧化等特点。

概述

自1889年起,国际单位制将千克的大小定义为跟国际千克原器(在专业度量衡学中很多时候会把它缩写为“IPK”)的质量相等。IPK由一种铂合金制成,这种合金叫“Pt‑10Ir”,即90%及10%(按质量比);然后把这种合金用机器造成39.17mm的直立圆柱体(高度=直径),这样做可以把表面积减至最低。比起纯铂的档案局千克,新加进去的10%铱改善了硬度,但同时保留铂的许多长处:对氧化的高度抵抗性、极高密度、良好的导电与导热性以及低磁化率。IPK与其六件姐妹克隆品都被存放在国际计量局BIPM)位于巴黎郊区的总部下层的储藏室内,有环境监控的保险箱里。(见下面的外部图片)开启保险箱需要三条被分开保管的钥匙。IPK的正式克隆品可供其他国家作为其全国标准之用,这些克隆品大约每50年就要跟IPK比对一次。

IPK是1879年制造的三个圆柱体之一。1883年,IPK的质量被发现跟八十四年前的档案局千克的一致,并在1899年的第一届国际计量大会中被正式指定为千克。维也纳标准海水(有严格同位素控制的纯净水)密度的现代测量指出一立方分米的水,在最大密度时(3.984°C)比一千克只差25.05ppm。这个微小的差别,与IPK跟档案局千克质量一致这个事实,说明了超过209年前科学家们在量度水密度及制造档案局千克的技艺是相当高超的。

稳定性

图为各原器随时间的质量变动,其中K21–K40为各国的国家原器,K8(41)号原器被偶然地标成了41号,但它的配件都带有正确的编号8。由于并没有被标为8号的原器,这个原器就被称为8(41)号。所有质量变动都是相对于IPK的。以上的量度都是相对的,无法判定以上哪个原器是相对于大自然最稳定的历史数据。很有可能地,在这100年间所有原器的质量都增加了,而K21、K35、K40及IPK只是比其他的增加得较少而已。

定义上来说,IPK质量的量度值误差为整零;IPK就是千克。然而,IPK因时间而成的质量变量,可经由比对世界各地正式克隆品质量判定出来,这个过程被称为“定期核准”。例如,美国拥有四个90%铂/10%铱的千克标准仪,其中K4和K20是1884年制的原批中四十个克隆品的两个。K20被指定为美国的国家首席标准。这两个原器,跟其他国家的一样,都要定期送回BIPM作质量核准。

需要指出的是,没有一个克隆品的质量准确地等于IPK;它们的质量经过校准,得出的偏差值会被存档。比方说,美国的国家首席标准K20,1889年最初的正式质量为1kg − 39µg;也就是说K20比IPK轻39µg。1999年的上一次核准指出其质量准确地等于1889年的原值。跟这种小差异相当不同的是,美国的检核标准,K4的质量持续地相对于IPK下降——这都是有原因的。检核标准比首席标准要常用得多,所以很容易被刮及受到各种磨损。K4最初送抵时的正式质量为1kg − 75µg,但到1989年经正式校准后质量为1kg − 106µg,而十年后则是1kg − 116µg。在这110年间,K4相对于IPK轻了41µg。

除检核标准可能受到的一般磨损外,就算被小心收藏的国家原器也会因不同的原因而产生相对于IPK的质量变动,当中原因有已知的,也有未知的。由于IPK与它的克隆品都被存放于空气中(尽管有两层或以上的钟罩),它们还是会经由表面吸附大气层中的灰尘而获得质量。因此会用一种称为“BIPM清洁法”的手续来清洁它们,这种方法是BIPM于1939至1946年间开发的,当中手续有用沾有等量乙醚乙醇的油鞣革轻轻擦拭,用蒸馏过两次的水进行蒸气清洁,以及让原器在核准前先放7至10天。

至2011年,国际千克原器的重量可能减少了大约50微克

全球各地的原器

台湾

目前在台湾高雄市三民区国立科学工艺博物馆中有一千克副原器,其为日治时期所遗留,原交由度量衡检验所管理,转由经济部标准检验局,之后于2001年捐赠给科学工艺博物馆。

国家度量衡标准实验室于1995年向国际计量局购得国际质量最高标准之铂铱千克原器,编号78号,为现今(现中国台湾省)之国家质量标准。

中国大陆

中国大陆的千克原器是1965年从英国引进的,编号为No.60,1986年被批准为国家质量基准,编号:GJJ(力)0101。

千克作证基准砝码是质量基准的组成部分,是1984年从英国引进,编号为No.64,1986年批准为质量作证基准,编号:GJJ(力)0151。

千克副基准砝码是1967年由中国计量科学研究院自行研制,编号为No.9,它是直径与高相等的直圆柱体,材料为不锈钢,体积为126.6006立方厘米,质量标称值为1kg。1967年首次检定结果为1kg-1.94mg,检定精度为 0.04mg。1986年批准为质量副基准,编号:GJJ(力)0152。

香港

香港特区政府创新科技署辖下的标准及校正实验所拥有国际千克原器的第75号克隆本,用作香港的质量参考标准及普及质量单位。

资料来源

  1. ^ 1.0 1.1 New Techniques in the Manufacture of Platinum-Iridium Mass Standards, T. J. Quinn, Platinum Metals Rev., 1986, 30, (2), pp. 74–79
  2. ^ Water Structure and Science, Water Properties, Density maximum (and molar volume) at temperature of maximum density, a (by London South Bank University). Link to Web site.页面存档备份,存于互联网档案馆
  3. ^ The Third Periodic Verification of National Prototypes of the Kilogram (1988–1992), G. Girard, Metrologia 31 (1994) 317–336
  4. ^ The other two Pt‑10Ir standards owned by the U.S. are K85, which is used for watt balance experiments (see Watt balance, above), and K650, which was an early attempt with a new series of prototypes (K64–K80) that were diamond-turned directly to a finish mass. K650 has a density of 21.53537 g/ml, which is normal for Pt‑10Ir alloy. However, as its finished mass was roughly 2000 µg less than one kilogram, it is unsuitable for use as a national prototype and is instead known as a mass “standard”—not a “prototype”. However, it serves well for special duties, such as a stability reference when K4 and K20 are transported to the BIPM and back. There are three other diamond-turned, Pt‑10Ir replicas that are not formally considered to be “prototypes”: K651, K690, and K691.
  5. ^ 运输原器需要极其小心。1984年,原器K4和K20就被人手带进商业客机的乘客舱。
  6. ^ The Kilogram and Measurements of Mass and Force, Z. J. Jabbour et al., J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 106, 2001, 25–46 (3.5 MB PDF, here页面存档备份,存于互联网档案馆))
  7. ^ Before the BIPM’s published report in 1994 detailing the relative change in mass of the prototypes, different standard bodies used different techniques to clean their prototypes. The NIST’s practice before then was to soak and rinse its two prototypes first in benzene, then in ethanol, and to then clean them with a jet of bi-distilled water steam.
  8. ^ 秋凌. 科学家发现国际千克原器减少约50微克. 科学网. 2011-01-28 [2011-01-30]. (原始内容存档于2013-04-12).
  9. ^ 国家计量院NIM质量基准[永久失效链接]
  10. ^ 標準及校正實驗. [2014-11-05]. (原始内容存档于2014-11-05).

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外部链接


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