完美硅球

完美硅球千克是质量的单位，而质量就相当于日常说的一样东西有多“重”。然而，质量实际上是一个带“惯性”的性质；也就是说，一物体会在无外力的情况下倾向于保持既有的速度。当一质量为一千克的物体在一牛顿的力作用下，会以每秒平方一米的加速度（约相等于地球重力加速度的十分之一）加速。物质的重量完全随本地的引力强度而定，而质量则不变（设该质量并非以相对论性速度相对于观察者运动）。相应地，在微引力下的宇航员不需任何力气就能举起太空舱内的物体；因为物体“没有重量”。然而，物体在微引力下仍保有其质量，宇航员需使出十倍的力才能把十倍质量的物体以相同的加速度加速。千克的历史千克，(符号kg或㎏)为国际单位制中量度质量的基本单位，千克也是日常生活中最常使用的基本单位之一。一千克的定义就是国际千克原器的质量，几乎与一升的水等重。千克是唯一一个有国际单位制词头的基本单位，也是唯一一个仍然使用人工制品作定义的国际单位（其他单位都用基础物理特性作定义，以便于在不同的实验室内复制）。•早期定义•国际千克原器•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与它的复制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和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。自1889年以来，人们曾认为它像恒星一样恒久不变，但到了1992年，它的质量却发生了变化。经与其他“千克”原器相比，国际千克原器变化了大约50微克，相当于一个直径0.4毫米的小沙粒。BIPM质量部主管艾伦·皮卡德说：“确切地说，我们无法确定它的质量是多了还是少了。这一变化可能是由于表面影响，失去了表面原子或结合了污染物。”这个变化给物理学家带来了巨大的理论挑战，尤其是对那些需要精确测量的复杂实验而言。阿伏伽德罗计划•德国计量科学研究院日前发布的新闻公报介绍,该机构和俄罗斯、澳大利亚等国的科学家联合进行的“阿伏伽德罗计划”已经获得重要进展,目前已制成了由硅28构成的一个完美球体。科学家希望借助这个硅球重新定义质量单位“千克”。•德国等国科学家制造的这个“完美硅球”球体非常接近理想球体,由球体中心至表面任何一点的距离误差不超过3千万分之一毫米。这个球体的直径大约为10厘米,它的99．99％是由硅28构成的,晶体结构近乎完美。•“阿伏伽德罗计划”的目的是通过精确测算出“完美硅球”内究竟有多少个原子,从而在测定阿伏伽德罗常数(即一摩尔任何物质中所包含的基本单元数)中获得新的突破,进而将质量单位“千克”的标准回归到与恒定常数相关的定义中,而不是依靠一个“原器”,或者其他什么会变化的东西来计量。•现在，德国计量科学研究院科学家需要对球体做数千次试验，计算出其中精确的硅原子数量。项目协调员阿诺尔德·尼古劳斯说，科学家知道1千克硅球体中的硅原子数后，就没有必要再使用铂铱合金的国际标准砝码来确定“1千克”。他们可以利用这一数据随时“复制”“1千克”的标准质量，且不易随时间改变。为什么要做成球体呢？为什么要用硅来做这个球呢？•用球体的原因是:它没有棱角不易损坏，并且只需要一个参数确定!国际上采用X射线晶体密度法(XRCD)测量阿伏伽德罗常数，其表达式为3333/M4amanrMnNA式中：a为晶格常数，n为晶胞粒子数，ρ为单晶硅的宏观密度，M为硅原子量，m为硅球质量，r为硅球半径（如果用其他形状将不止r一个参数）用硅晶体来做这个球体的原因与硅的性质有关硅晶体的物理性质具有明显的金属光泽，呈灰色，密度2.32-2.34克/厘米3，熔点1410℃，沸点2355℃，具有金刚石的晶体结构，硬度大硅的晶体结构硅晶体的化学性质•结晶型的硅是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。化学性质非常稳定。在常温下，除氟化氢以外，很难与其他物质发生反应。硅的来源广泛•硅在自然界分布很广，在地壳中的原子百分含量为16.7%。是组成岩石矿物的一个基本元素米、千克、秒等7个物理单位是构成国际单位制的基本单元，测度其余物理量的单位均由此推演而来。因此，距离、质量、时间等物理量测量精准与否，是决定实验物理精度的根本。阿伏伽德罗计划一旦成功，不仅意味着质量原器少了随时间改变的风险，也意味着只要实验条件许可，科学家可以在世界任何地点精准复现“千克”。这些对于以精准为目标的实验物理学家来说，无疑都是重大利好消息。华中科技大学生技1004何川谢谢欣赏！