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米的定義及其變遷

發(fā)布時(shí)間:2020-09-27 作者: 來源: 瀏覽:35820

  在日常生活中人們?yōu)楣罍y(cè)長(zhǎng)度或距離,習(xí)慣用手比一比或跨步量一量。據(jù)中國古書記載,“布指知寸,布手知尺,舒肘知尋,婦手為咫,人身為丈”,“舉足為跬,倍跬為步,邁步為畝”。這里的寸、尺、尋、咫、丈、跬、步等,實(shí)際上就是長(zhǎng)度計(jì)量單位。眾多的單位直到公元前221年,秦始皇頒布“一法度衡石丈尺”命令和詔書后才得以統(tǒng)一。

  我們的祖先早在漢朝就利用自然規(guī)律建立了度量衡標(biāo)準(zhǔn),它們?cè)谠砩吓c米的現(xiàn)代定義相近,而在時(shí)間上卻比西方早約二千年,令世人驚嘆不已。

  米(m)是國際單位制中表示長(zhǎng)度的基本單位。提高米的測(cè)量準(zhǔn)確度不僅對(duì)于物理學(xué)、天文學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有重要意義,而且也促進(jìn)了大地測(cè)量、空間技術(shù)、納米技術(shù)等的發(fā)展和進(jìn)步。

  米的最初定義是由1791年法國國民代表大會(huì)確定的,一米等于地球子午線1/4長(zhǎng)度的一千萬分之一?!懊住眮碓从诠畔ED文,意為度量。當(dāng)時(shí)認(rèn)為子午線長(zhǎng)度是固定不變的,所以米及由米確定的千克和升也固定不變,從而形成一種基于自然不變的“米制”。

  1799年,根據(jù)度量子午線弧長(zhǎng)的結(jié)果,用燒結(jié)鉑制成了體現(xiàn)端度基準(zhǔn)的米原器并保存在巴黎檔案局,這就是最早的“檔案米”(后來證明它的實(shí)際值比定義值短約0.2毫米)。

  國際計(jì)量局(BIPM)據(jù)此復(fù)制了30個(gè)鉑(90%)銥(10%)合金制的X型線紋基準(zhǔn)米原器。1889年經(jīng)第一屆國際計(jì)量大會(huì)(CIPM)批準(zhǔn),從中選出了一個(gè)作為國際米原器,留出數(shù)個(gè)作為工作原器,而把其余的分發(fā)給米制公約成員國作為國家基準(zhǔn)。這時(shí)的米被定義為,國際計(jì)量局保存的國際米原器上,兩端刻劃的中間刻線的軸線在00C時(shí)的距離。此定義實(shí)際上是由后來第7屆國際計(jì)量大會(huì),1927年,認(rèn)定的??梢哉f這是米定義的第一次變遷。

  國際米原器的準(zhǔn)確度為0.1微米,即千萬分之一(1×10-7)。到20世紀(jì)中葉,這個(gè)準(zhǔn)確度已無法滿足精密機(jī)械制造業(yè)和計(jì)量學(xué)發(fā)展的需要。于是有人提出用原子輻射波長(zhǎng)值取而代之的建議,因?yàn)樗且环N固定不變的自然基準(zhǔn)。不久發(fā)現(xiàn)新研制的氪-86低壓氣體放電燈,在一定條件下輻射出的橙黃光譜的真空波長(zhǎng)值是個(gè)“定值”。1960年第11屆國際計(jì)量大會(huì)決定廢除國際米原器,將米定義為,氪-86原子的2P10和 5d5能級(jí)之間躍過所對(duì)應(yīng)輻射在真空中波長(zhǎng)的1650763.73倍。這樣米的準(zhǔn)確度達(dá)到十億分之四(4×10-9),它意味著在1000公里的長(zhǎng)度上誤差僅為4毫米。這是米定義的第二次變遷。

  幾乎與此同時(shí),一種方向性好、亮度高、單色性強(qiáng)(相干能力強(qiáng))的激光問世,其特性優(yōu)于任何已有的光源。隨著穩(wěn)頻和伺服技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,又使激光器輸出頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性提高到百億分之一(1×10-10),而后測(cè)得的真空中光速值為299792458米/秒,其準(zhǔn)確度也比過去提高了100倍。

  在這種背景下,1975年第15屆國際計(jì)量大會(huì)提出,米定義可以通過光速表示,并認(rèn)為光速值保持不變對(duì)天文學(xué)和大地測(cè)量具有重要意義。這就是說,光速值不再是可測(cè)的量,而是固定不變的常數(shù),長(zhǎng)度則可以建立在光速為常數(shù)的基礎(chǔ)上,通過時(shí)間或頻率確定。1983年第17屆國際計(jì)量大會(huì)將米定義為,光在真空中,在1/299792458秒時(shí)間間隔內(nèi)所行進(jìn)路徑的長(zhǎng)度。這是米定義的第三次變遷。

  新定義的米,可以通過時(shí)間法、頻率法和輻射法來復(fù)現(xiàn)。時(shí)間法利用光行進(jìn)的時(shí)間來測(cè)量長(zhǎng)度,主要用于天文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)。頻率法利用光的頻率來測(cè)量其真空波長(zhǎng),故在準(zhǔn)確度方面潛力很大,但在實(shí)際應(yīng)用中尚需建立激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)。在輻射法方面,1993年國際計(jì)量委員會(huì)推薦了8種穩(wěn)頻激光器輻射的標(biāo)準(zhǔn)譜線頻率(波長(zhǎng))值,作為復(fù)現(xiàn)米定義的國際標(biāo)準(zhǔn)。

  由于目前還沒有一種光電接收器能夠響應(yīng)可見光頻率,所以尚需分波段研制多個(gè)穩(wěn)頻激光器作為基準(zhǔn)。穩(wěn)頻激光器輻射頻率的測(cè)量準(zhǔn)確度仍在不斷改進(jìn)中,比如目前常用的碘吸收633納米氦氖穩(wěn)頻激光器的復(fù)現(xiàn)性,已在1×10-10的基礎(chǔ)上又提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因而,在光頻范圍內(nèi)米有可能建立頻率標(biāo)準(zhǔn),這無疑將促進(jìn)原子物理學(xué)、分子物理及高分辨率激光光譜學(xué)的發(fā)展。兩個(gè)世紀(jì)以來米定義的變遷,既反映了科技進(jìn)步對(duì)計(jì)量學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用,也反映了計(jì)量學(xué)發(fā)展對(duì)科技進(jìn)步的反作用。

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