国际千克原器是用什么做的(国际千克原器)

怎样定义1千克质量，世界标准的国际千克原器长这样

国际千克原器就是1千克质量的标准物，早在1889年就被国际计量大会批准为标准砝码。由抗氧化性的铂—铱合金制作（90%铂和10%铱），直径和高度都为39.17毫米，它和6个复制品被保存在法国巴黎的国际计量局总部。

国际千克原器的样子（最里面的就是砝码）

它的精度约为±0.00005g，虽然此精度已足够满足大多数日常测量需求，但这对于一些需要更高精度的研究和使用来说可能已经不能满足要求。每过一段时间，因为氧化和环境影响，它的质量会发生轻微的变化。

国际千克原器被国际计量局的专家们非常仔细地保存在特殊的地方，使用三层玻璃罩住，最外一层玻璃罩里抽成半真空，防止空气和杂质进入。

为了提高质量测量的精度和准确性，国际计量学界决定用“普朗克常数”来定义千克质量单位的标准，以替代千克实物。普朗克常数电子秤可以实现从普朗克常数到千克之间的转换，其精度高达0.00000000000001克，能够满足更高精度的需求。

怎样定义1千克质量，世界标准的国际千克原器长这样

国际千克原器就是1千克质量的标准物，早在1889年就被国际计量大会批准为标准砝码。由抗氧化性的铂—铱合金制作（90%铂和10%铱），直径和高度都为39.17毫米，它和6个复制品被保存在法国巴黎的国际计量局总部。

国际千克原器的样子（最里面的就是砝码）

它的精度约为±0.00005g，虽然此精度已足够满足大多数日常测量需求，但这对于一些需要更高精度的研究和使用来说可能已经不能满足要求。每过一段时间，因为氧化和环境影响，它的质量会发生轻微的变化。

国际千克原器被国际计量局的专家们非常仔细地保存在特殊的地方，使用三层玻璃罩住，最外一层玻璃罩里抽成半真空，防止空气和杂质进入。

为了提高质量测量的精度和准确性，国际计量学界决定用“普朗克常数”来定义千克质量单位的标准，以替代千克实物。普朗克常数电子秤可以实现从普朗克常数到千克之间的转换，其精度高达0.00000000000001克，能够满足更高精度的需求。

千克的定义变了

国际千克原器“大K”。 新华社发

中国千克重新定义复现装置。 中国计量科学研究院供图

11日，国家市场监督管理总局召开新闻发布会，介绍质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”的新定义，并宣布明年5月20日起，作为国际计量局的成员，中国将与全球其他国家一致启用新修订后的国际单位制。

国际千克原器失准，改用不依赖物理实物的自然常数计量

根据现行定义，1千克精确等于国际计量局保存的国际千克原器(IPK)的质量。而国际千克原器则是一块高尔夫球大小的铂铱合金圆柱体，别名“大K”。

为了保证质量稳定，“大K”自诞生起一直被安放在巴黎郊区的一个保险箱里，并受到严密监控。“只有国际计量局局长、国际计量局主席、法国国家档案馆馆长同时在场，才能开启保险箱。”中国计量科学研究院院长方向说，国际计量局各成员国按照一样的大小、原材料复制了若干个复制品，来保证全球计量标准的一致。中国计量科学研究院就保存了3个，目前有效的还有两个。

各国保存的复制品，会定期到国际计量局与“大K”进行校准，但130年之后，复制品的平均水平与“大K”发生了50微克偏差。

这其中，可能有复制品因存放、运输等问题而导致的质量变化，但也无法排除“大K”本身出现了质量漂移。“实物基准一旦制成，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化。哪怕落上一粒尘埃，‘大K’保存的量值也会有所变化。至今，‘大K’的质量是否发生了变化，变化了多少仍是一个谜。”方向说。

鉴于实物本身的不稳定性，国际计量界一直致力于建立一个不依赖于实物原器的测量体系。20世纪以来，随着量子技术的发展，人类对各种物理量的测量准确度得到了极大的提高。科学家发现，这些常数比实物稳定百万倍，并将其数值固定了下来。于是，科学家们开始探讨采用物理常数来定义国际计量单位。

在11月16日举行的第二十六届国际计量大会上，经包括中国在内的53个成员国集体表决，全票通过了关于“修订国际单位制(SI)”的1号决议。未来，千克将以符号为h的普朗克常数定义，“大K”正式退役。“改用普朗克常数定义千克后，我们将不必担心‘大K’的质量发生变化，更不必担心国际千克原器丢失、损坏可能给全球质量量值统一带来的毁灭性灾难。”方向说。

国际单位制的变化不会影响人们日常的生产生活

除了千克，在本届国际计量大会上，电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”等3个国际单位制的定义也将由常数定义，并于明年的世界计量日5月20日正式生效。加之此前对时间单位“秒”、长度单位“米”和发光强度单位“坎德拉”的重新定义，至此，国际计量单位制的7个基本单位全部实现由常数定义。

国际单位制重新定义后，会对日常生活产生什么影响呢？

“千克的定义变化了，我们的体重会变重吗？买菜会变贵吗？不会，你买一斤菜还是一斤菜。”方向说，对于大多数普通人，国际单位制的变化不会对生活产生影响。

方向表示，虽然“安培”的复现方法将使用新的固定基本电荷，将导致10-7的变化，但只会影响最高级别的校准实验室，对实际使用没有影响。

既然测量单位的变化如此微妙，重新定义国际单位制有何意义呢？

“这就如同我们给房子换了一个更加坚固的地基，并不太会直接影响我们生活起居，但它实际上已经发生了‘脱胎换骨’的变化，使得房子更耐久。”国家市场监督管理总局计量司司长谢军说。

他解释道，以前，最准确的千克只有1千克一种，要对一个大于1千克的物体称重，需要将1千克进行重复累加；对一个小于1千克的物体进行称重，则需要将1千克进行分割。而无论累加还是分割的过程都会给量值的准确性带来损失。新的定义则不受限制，可实现全范围的准确性。

“得益于更高的测量准确度，将直接促进市场公平交易，实现精准医疗，改善节能环保等。如在航空领域，我们将可以测量极高、极低温度的微小变化，从而更加准确地监测航天器表面的温度变化；在生物医药领域，则可以准确测量单个细胞内某种物质的含量，并根据病人的实际需要，制定更加精确的药物剂量。”谢军说。

再比如，目前，各国依赖的是实物基准逐级传递的计量模式，费时费力、效率低下、误差放大。而在新定义下，只采用芯片级的传感器将可以在工业产品流水线上实现对国际单位制的溯源，物联网各个终端采集的数据由此能实现可比，极大地提高智能制造、物联网等新技术产业的质量水平。

“就像1967年，我们用原子的特性修订了‘秒’的定义，使我们在几十年后的今天拥有了卫星导航和互联网技术一样，质量单位‘千克’等4个国际单位制的重新定义，将在未来对人类科学、技术、贸易、健康、环境等领域产生重大而深远的影响，而现在我们对这些影响的预判和认识，可能是未知远远大于已知。”谢军说。

我国已建新千克复现装置，可保障未来质量量值与国际等效

新的计量单位将如何复现？

“在旧定义下，要复刻1千克，即对‘大K’进行复制，而在新定义下，则依赖于实验方法。目前中国计量科学研究院已独立建立了基于新定义的千克复现装置，预计将于2019年获得等效的千克定义量值。”方向说，同时，中国计量科学研究院还成功研制了真空质量测量和质量标准传递装置，可以保障未来我国质量量值与国际等效一致。

在时间单位方面，中国计量科学研究院的NIM5铯原子喷泉钟，达到3000万年不差1秒，是国际协调时的8台校准钟之一。在电流单位方面，中国的量子化霍尔电阻基准和约瑟夫森电压基准，多次参加国际比对，测量确定度达到国际领先水平，其中量子化霍尔电阻基准准确度比国外最好水平还高出10多倍。

而这其中，颇为关键的则是对物理常数的测量能力。据介绍，截至目前，我国已在玻尔兹曼常数、普朗克常数和阿伏伽德罗常数等物理常数测量取得了系列突破。特别是中国计量科学研究院用声学法和噪声法两种方法测得的玻尔兹曼常数，均被国际科学技术数据委员会(CODATA)收录，为常数定值做出实质性贡献，也为基本单位开尔文的修订做出了中国贡献。

方向坦言，我国虽已在单位制量子化和量子基准的研究中取得了一些成绩，但部分物理常数的测量结果与国际一流水平仍有差距，部分基准的建设尚没有启动。同时，我国以“量值传递扁平化”技术为特征的新一代计量技术体系建设刚刚起步，与发达国家相比，一些新兴领域的计量技术仍属空白，极限量、动态量、综合量以及复杂环境下的精密测量明显落后，高端测量仪器仪表基本依赖进口。

为科技界服役130年 国际千克原器可能要退休了

来源:科技日报

图为以国际千克原器为基准的校准装置

一千克究竟有多重？这个看似简单的问题，科学家却探索了百年。

11月16日，来自60多个国家的计量科学家将汇聚在法国凡尔赛，共同见证对“修订国际单位制”的1号决议进行的表决，届时，7个基本单位中的4个或将改由物理常数重新定义。

11月13日，由国际计量局组织的第26届国际计量大会在法国凡尔赛开幕。在国际计量局物理计量所功率天平组工作的李世松博士正在会议现场，他在接受科技日报记者采访时表示，本次会议是科技界期盼已久的盛会，因为会议有一项重要议程——对“修订国际单位制（SI）”的1号决议进行表决。

16日，来自世界60多个国家的计量科学家将共同在现场见证此次表决。如果决议获得通过，7个国际单位制基本单位中，有4个将被重新定义，届时，7个基本单位将全部由基本物理常数定义。新国际单位体系将于2019年国际计量日（5月20日）起正式生效。这将是1875年《米制公约》签署以来，国际测量体系面临的最重大变革，对科技创新、产业发展影响深远。

修订后基本单位量值更稳定

“这次单位修正，共涉及4个基本单位。质量单位千克将采用普朗克常数定义，电流单位安培将采用基本电荷量定义，物质的量单位摩尔将采用阿佛加德罗常数定义，温度单位开尔文将采用玻尔兹曼常数定义。用这些不变的参考基准作为测量的基础，意味着这些单位的定义在未来是可靠、不变的。”李世松告诉记者。

启蒙时代起，测量界就致力于建立一个寰宇通用的测量系统。用实物作为测量基准虽然是一个可行的方式，但因为实物很容易受到人为或环境因素的损坏，稳定性会受到影响，测量界一直想要尽早摒弃这种方式。

同时，随着高精尖科技的发展，我们也需要更稳定、准确的测量。于是，用物理常数重新定义国际基本单位的方案被提了出来。用常数的方式定义测量单位意味着这些定义将适应下一代科学发现的需要。

本次国际单位制的修订将使所有的基本单位都建立在我们描述自然界所用的基本物理常数上。由这些自然常数组成寰宇通用的测量基础，将使科学界、工业界和人类社会拥有一个更加可靠、一致、全范围（大至很大，小至很小）的测量系统。

据了解，质量单位千克的现行定义是一块保存在国际计量局的铂铱合金圆柱体——“国际千克原器”的质量；电流单位安培的现行定义是一恒定电流，若它保持在处于真空中相距1米的两根无限长而横截面大小可被忽略的平行直导线内，则这两根导线之间产生的力在每米长度上等于2×10-7牛顿；物质的量单位摩尔的现行定义是所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等；而温度单位开尔文的现行定义则等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

李世松表示，这次国际单位制修订的主要目的，是消除现行定义中所使用的实物基准随时间、地点、环境产生的未知漂移，建立一套与基本物理常数挂钩，适用于自然界基本物理定律的，对相应量值的复现不受时间、地点、环境约束的国际单位新体制。

国际千克原器发生50微克漂移

由于质量单位千克是目前唯一还在使用实物基准定义的基本单位，因此科技日报记者独家采访了中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所副所长王健研究员，请他详细介绍有关质量单位千克的定义的来龙去脉。

王健介绍，早在1799年，科学家们就发现水在4摄氏度时的密度最为稳定，因此将4摄氏度时1立方分米水的质量定义为1千克。然而，由于以水为标准的质量既不方便又不稳定，1889年，千克又被批准由一块采用工业革命技术打造的铂铱合金圆柱体来定义，其中铂含量为90%，铱含量为10%，铂铱合金满足了千克原器稳定性和耐腐蚀性要求。

千克用千克原器定义后，千克原器就被保存在国际计量局，用三层玻璃钟罩保护，最外一层抽成半真空，以防止空气和杂质进入。在为科技界服役的130年内，为保证千克原器的绝对安全，原器被保存在国际计量局的一个保险箱内，保险箱必须由三把钥匙同时打开。这三把钥匙分别保存在国际计量局局长、国际计量委员会主席和法国国家档案馆馆长手中。

千克采用国际千克原器定义后，有个问题计量学家们十分关心：这样的定义到底有多稳定？会随着时间的推移发生漂移吗？

应该说，这个问题在定义质量单位千克之初就被提了出来，例证是，在1889年进行千克定义时，国际计量局就制作了7个铂铱合金千克砝码，其中的一个，即国际千克原器，用于质量单位千克的定义，而其他6个采用同种材料、同种工艺制作的砝码，则作为副基准，用于检查彼此之间是否存在随时间变化的漂移。

“根据国际计量局的官方数据，在1889—2014年的100多年间，其他千克原器与国际千克原器在质量一致性上发生了约50微克的变化。这表明质量单位的实物基准的稳定性存在问题，虽然50微克的变化听起来很小，但对一些高精尖产业来讲影响却很大。”王健说。

他表示，如果使用基本物理常数取代千克实物基准，质量单位的稳定性就不会受到空间和时间的影响。因此，国际计量委员会于2005年起草了关于采用基本物理常数定义部分国际单位制基本单位的框架草案，建议采用普朗克常数定义质量单位千克，并鼓励有能力的国家级实验室开展相关科研工作。

“在重新定义千克的过程中最关键的是普朗克常数的精密测量，现在测量的精准度已经达到了重新定义质量单位千克的要求。”王健强调。

国际单位制溯源体系彻底改变

在李世松看来，本次国际单位制基本单位的重新定义，是一个具有里程碑意义的事件。“这是我们人类在基本单位体系中首次彻底摆脱了实物基准，将所有基本单位的定义推向‘量子化’的关键一步。”李世松说。

本次国际单位制修订，从表面而言，人们并不会看到太大变化。这好比你给房子换了一个更坚固的地基，从表面上是不可能看到任何变化的，但它可能已经发生了实质性的变化，使房子变得更耐久了。

李世松认为，本次基本单位修订最重要的影响在于使国际计量体系以及未来的检定和校准工作等发生改变。基于自然物理常数定义的国际单位制基本单位本征具有的开放性，将允许任何实验室或个人建立直接进行国际单位制溯源的测量和校准装置。

“在国家层面，我们如果能建立我国自己的基本单位复现装置，就不用再定期到国际计量局去进行校准。在区域层面，我们国家如果能建立起国际公认的高准确性基本单位的复现装置，就能够为其他国家提供校准服务。”李世松说，“而对国际计量局而言，未来最重要的使命，除了发展自己的基本单位量值复现装置外，还会更加注重组织不同国家参与的国际比对，以确保国际单位制基本单位量值在全世界范围内具有一致性。”

“国际单位制基本单位重新定义以后，量子基准将取代实物基准，基本单位可实现独立复现、不再依赖于国际计量局。这将彻底改变世界计量格局——未来，国际计量局将不再是世界量值的唯一源头，主要发达国家和新兴发展中国家计量院将成为国际计量‘多中心’格局的主体。”国际计量委员会委员、中国计量科学研究院党委书记兼副院长段宇宁表示。