第二章 物理量和计量单位

3）第二个米定义
1960 年：第十一届国际计量大会上正式批准废除铂铱 米原器。 米定义：“米等于86Kr原子的2P10和5d5能级间的跃迁所对 应的辐射在真空中波长的1650763.73 个波长的长度。”
86Kr谱线宽度为5×104nm，干涉能力约为750mm，
波长不确定度为1×10－8，它比米原器或镉红线的准确度高 约一个数量级。 CIPM还通过建议，规定了产生86Kr基准辐射的放电管形式 、参数和使用条件。并认为在满足使用条件时，其辐射波 长在1×10－8范围内等于未受扰动原子所发射的波长。
第二章 Hale Waihona Puke Baidu理量和计量单位
量制和单位制 国际单位制 我国的法定计量单位
学习要求
了解国际单位制的基本单位 了解我国的法定计量单位
2.1 量制和单位制
一、量与量值 1、量 量：现象、物体和物质的可以定性区别和 定；量确定的一种属性。 定性区别：量的单位。 定量确定：量的数值。 计量学中的量都是由一个数值和一个称为 计量单位的特殊约定来组合表示的。
4）第3个米定义 ）第3
1960年激光诞生。 20 世纪70年代初，激光稳频技术的进展，使激光的 复现性和易于应用方面已大大优于86Kr基准，且由激光频 率测量及给定的光速值所导出的激光波长的准确度比86Kr 基准辐射更好。同时，对于天文和大地测量领域，保持 光速值不变具有重要意义，因此，米定义咨询委员会 (CCDM）认为用光速定义米的时机已经成熟。 1983 年国际计量大会通过新的米定义：“米等于 光在真空中299792458 分之一秒时间间隔内所经路径的 长度”。
二、量制与量纲 SI的基本量：长度、质量、时间、电流、热 力学温度、物质的量、发光强度。 无量纲量：其基本量量纲的指数全部为零 的量称为无量纲量或量纲一的量。如相对 密度、摩擦系数、马赫数、折射率等。 量纲法则：量纲能定性地确定量之间的关 系，任何量的表达式，其等号两侧必须具 有相同的量纲。
三、计量单位
属于法国科学院的No. 34 千克基准,从第二届国际千克基 准比对之后,该千克基准就保存在密封的容器中,没有使用过, 也没有动过,它的质量值变化如下: 1889 年 1950 年 1992 年 1 kg - 0. 073 mg 1 kg - 0. 078 mg 1 kg - 0. 051 mg
该千克基准质量从1952 年到1992 年的40 年之间相对国际 1952 1992 40 千克原器质量的变化为+ 0. 27 mg。 另外, R.Davis 从1959 年至1989 年对他们自己的千克基准进 行长期实验考核,其结果在这40 年中他们的千克基准质量值 相对增高了6 ×10 - 7 。
1889年：第一届国际计量大会 (CGPM) 批准了国 际计量委员会（CIPM）所选择的米原器，并宣布“ 该米原器以后在冰融点温度时代表长度的米单位” 。同时批准了采用铂铱合金制的圆柱体砝码为千克 的定义。 1927年：第七届国际计量大会进一步明确：“长 度的单位是米，规定为国际计量局（BIPM）所保存 的铂铱尺上所刻的两条中间刻线的轴线在0°C时的 距离”。
1930年， 出现了振荡周期非常稳定的石 英晶体振荡器， 由此发现了平太阳秒的变化约 为1×10－8量级，即一昼夜约有1ms的变化。 太阳秒 1960年对秒作第二次定义时， 是用1900年的 回归年，即历书上的特定的回归年进行定义的。 即: 1秒＝1回归年/31556925.9747 这样定义的秒 亦称历书秒,比第一次定义的准 确度高一个量级,达1×10－9量级。
2.1 量制和单位制
一般来说，凡是量都是可以测量的，因此， 量又称为“可测量的量”。 量可以是广义的，也可以是特定的。 例：长度、质量、温度等属于广义量，某 棒的长度、重量属于特定量。 计量学中的量分为基本量和导出量。
2、量值 一般由一个数和计量单位之积表示的 特定量大小，称为量值。 量的大小与量值的形式无关，是客观存在， 不取决于所采用的计量单位。
按上述事实可以推算出国际千克原器 是否也在100 年中变化了50 μg (5 ×10 8 ) ? 由此可见,当今的质量“kg”基准自身质 量随时间的变化已超过了国际比对的不确 定度,更满足不了当今工业、科学技术发展 的需要,必须变更. 变更的方向是利用基本 物理常量或原子物理特性。
国际kg原器在刚刚清洗后的初期，其质量每 天以0.0368μg的速率增加。 尽管采用了表面科学的各种先进技术如X射 线光电波谱仪、Auger电子显微镜、椭圆偏振仪 对砝码表面进行观察，研究清洗工艺、表面吸附 与污染对质量的影响，但看来短期内不会有明确 的结论。 100多年来，国际原器只进行了3次比对，受 数据量和比对不确定度的限制，kg原器质量漂移 的原因一时难以查明。
米定义历程：自然基准——实物基准— —自然基准——基本物理常数 即：地球子午线长度 档案米尺 86Kr 光速
2、质量
1889年，第1届国际计量大会批准了千克的定 义。即采用铂铱合金制的圆柱体砝码为千克的 定义。 1901年第3届国际计量大会进一步明确作了以 下规定：“千克是质量单位，它等于国际千克 原器的质量”。 1988年秋～1992年秋，国际计量局利用NBS－2 型天平，对34个国家的kg原器进行了国际比对 。
(一）对基本单位定义的特定要求 • 应该选择那些我们确信在时空变换下在天体 尺度上保持稳定，即与本质上不变的量相关 的参考标准。 • 定义复现的准确度必须能够满足最佳实际测 量的要求。 • 应努力选择尽量简单的定义，无论是在理解 上还是在复现上都要求如此，复现所采用的 设备不应过于昂贵或过于复杂。 • 应选择在任何时候、任何地点，任何人都可 自由获取的定义。
计量单位：为定量表示同种量的大小而约定地 定义和采用的特定量。 计量单位是共同约定的一个特定参考量，具有 名称、符号和定义，其数值为1。 计量单位的定义不是一成不变的，随着科学技 术的发展而重新定义，体现着现代计量学的成 就和水平。 区分量纲与单位的概念。导出量量纲用于给出 导出量和基本量之间的定性关系；而导出单位 表达式用于给出导出单位和基本单位之间的定 量关系。
（二）基本单位目前的定义
1、米定义
1）、米定义的变迁 米的起源 1791年：法国议会批准了达特兰提出的以通过巴黎的地球 子午线的1/4000万为1m的定义。历时6年，测量了西班牙巴塞 罗那到法国敦克尔刻的地球子午线长度。 1795年4月7日，法国国民议会颁布新的度量衡制度，采用 十进制： 米的长度以“自北极到赤道段经过巴黎的子午线的一千万分 之一”为标准。 质量单位以1立方分米温度为摄氏4 度纯水在真空中的质量。
28Si,
同位素天然丰度为100% , 化学稳定性好, 是原 子质量单位的实验测量对象(离子收集法)。
197Au,
3 、秒
太阳秒 长期以来，时间单位秒的定义也依赖于地球。 1）时间单位的发展 第一次定义是在1820年，科学家根据观测地球自 转和绕太阳公转的周期来确定时间。 1秒＝1平太阳日/86400 即平太阳秒 其中：平太阳日即是平均的昼夜时间 在随后的约一个世纪内，均未发现地球 自转的不稳定性。
新的秒定义
20世纪70年代采用了铯原子的量子跃迁的定义。 1967年第13届国际计量大会通过了新的秒定义 “秒是铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对 应的辐射的9192631770个周期的持续时间。” 在铯原子钟的发展中，经历了用磁选态、激光选态 和原子喷泉等三种方案来激励定义中的辐射跃迁， 它们使秒定义的复现不确定度分别达到了1×10－13 1×10－14和1×10－15的量级，使时间频率的测量达到 整个计量基本单位复现准确度的顶峰。
结果表明：国家kg原器的质量平均约以每年0.5μg 的速率增加。 如:瑞士的国家千克基准No. 38 的质量, 1946 年 与 1989 年两次与国际千克原器比对的差值为+ 28μg 。 德国的国家千克基准No. 55 与国际千克原器比对 结果为1 kg + 0. 252 mg ,它增长率也为0. 5μgP 年。 我国的No.60和No.64 kg原器的质量分别为 1kg+0.295mg和1kg+0.251mg
1875年5月20日,17个国家签署了米制公约 签订，决定成立国际计量局（BIPM）。 这是计量学走向国际统一的里程碑。这 一天称为“国际计量日”。 1889年，第1届国际计量大会（GCGPM） 召开。遴选了与保存在巴黎档案局的档案 尺数值最为接近的第6号尺，批准为国际 米原器。保存在巴黎国际权度局（现称国 际计量局） 精度：一般认为0.3μ m。
TAI- 国际原子时（ TAI- 国际原子时（ International Atomic Time） Time） BIPM会员国的国家标准实验室原子钟组依据秒定义产生 ，每月送至BIPM，BIPM根据各国实验室的维持能力及研发 实力乘以不同的权重，平均所得即为TAI。 TAI由来 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准，并对它进行 连续计数的时标。同天文时相比，原子时要均匀得多。五十 年代初期，人们研制出原子钟－一种观测原子谐振现象并对 其信号周期进行计数的装置。如氨分子（NH3）钟，铯原子 （Cs）钟，此后便有了原子时标。但是，由各台原子钟建立 的原子时标可以颇不相同，因为它们的起始点由使用者任取 ，而即使选择了同一起始点，由于各台原子钟的准确度和稳 定度存在差异，长期累计之后所显示的时刻也会明显不同。 为此，在建立原子时标的初期，即用多台钟平均的办法导出 平均原子时。
几种原子极可能成为新千克定义的实现对象: 原子质量单位是以12 C原子为对象定义的, 若选该原 子作为千克实现的对象, 那么, 12 C就成为了质量定义 的统一体。且12C 在元素中的天然丰度很高, 而金刚石 可以作为新的千克单位的复现体。 利用现代提纯技术, 28Si 已可被提纯到足够高的 纯度, 该原子是阿伏伽德罗常数的测量对象。
平均原子时比由单台原子钟导出的原子钟均匀。 第一个作为无线电时号广播的平均原子时，命明为A1 。它由美国海军天文台（USNO）控制的短波台WWV 发播，以美国国家标准局（NBS）、美国海军天文台 （USNO）、加拿大国家研究委员会（NRC）、英国格 林威治天文台（RGO）等九个研究所的铯标准为基础 。 该平均原子时标的定义如下： 以铯原子（Cs133）超精细能级跃迁辐射的 9,192,631,770个周期所持续 的时间为1秒。 时标的始点定在UT2的1958年1月1日的零时零分零秒 。
量制：在科学所有领域或一个领域中，由 约定选取的基本量和相应导出量的特定组 合。 SI单位制是最典型的量制。 基本量：被约定地认为在函数关系上彼此 独立的量。基本量是量制的基础，一旦选 定就可以形成量制。如：米制。 导出量：由基本量的函数所定义的量。
二、量制与量纲
二、量制与量纲
量纲：以给定量制中基本量的幂的乘积 表示某量的表达式称为量纲。 量纲的确定取决于量制。 同一物理量在不同的量制中可以由不同 的量纲。 一旦选定了基本量，在这个量制中，基 本量的量纲就是它本身。
2）原子钟和原子时
中国计量科学研究院保存着中国时间频率的计量基 准。 原子时标始建于1980年，利用连续运转的商品型原 子钟，三台铯原子钟和两台氢原子钟组成一个钟组， 通过加权平均计算得出本地原子时，由此导出国家的 标准时间－北京时间。其正式代号为UTC(NIM)。并 参加国际原子时（UTC）合作，同时由计量院保存的 铯原子频率基准对准确度进行校准。 现在的指标为：时刻偏差的不确定度为100ns，频率 的不确定度为5×10-14。
1799年测绘学家的大地测量工作最终完成， 按测量结果制作了3.5×20mm矩形截面的铂杆 ，以此杆两端之间的距离为1m，此杆保存在巴 黎档案局，成为档案米尺（metre archives）。 同年12 月10日颁布法律确定米和千克的值。 12 10 同时铸出千克原器。
2）第一个米定义
1872年：在法国召开的讨论米制的第二次国际 会议上，决定放弃档案尺的米定义，以铂铱合金 制造的米原器来代替。 瑞士日内瓦物理公司：制作了31根铂铱合金尺。