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昊青气体装备技术（江苏）有限公司 
2021-01-05
对自然科学有所了解的朋友都知道，七个基本单位是：长度(米)、质量(千克)、时间(秒)、电流(安培)、热力学温度(开尔文)、物质的量(摩尔)和发光强度(坎德拉)中，而这其中的千克是个特顺的存在-2018年秋季之前它是由真实物体来定义的单位，即保存在法国巴黎的国际千克原器（IPK）。2018年秋季之后，情况有所改变：质量的全新定义将基于自然常数。为此所需的实验基本步骤则必须在由真空泵产生的真空环境中进行。
大小接近网球、银色、几乎完美的圆形球体-这就是取代巴黎IPK铂铱合金圆柱体的水晶球，它是由科学家用高纯度的硅制造而成，其重量完全等于之前的千克原器。
物体在真空中更轻
为了比较硅球与千克原器的质量，科学家在大气条件和由真空泵产生的真空环境下对它们分别进行称重。真空中的测量不会受到空气浮力和对流的影响，其测量结果与在大气压下相差不大。由于空气中的微小颗粒将沉积在物体表面，使得真空环境中的物体会稍微轻一点，因此给水晶球进行称重时，这些颗粒实际上可能产生近10微克的平均偏差。
为了设计出一个无偏差的公式来重新定义“千克”这个基本单位，物理学家必须确定球体中硅原子的数量。借助与非常精确的球形和完美的晶体结构，可以精确计算得出。 但是为了达到所需的理想精确度，研究人员在1亿个原子中错算的原子数平均最多不能超过一个。如果实验获得成功，则千克的重新定义可以基于一个自然常数：硅28的原子量。
利用真空泵产生的真空确保纯度
为了能准确确定原子数，硅必须非常的纯净。因此，单晶硅的固体必须在真空中生长以确保完美的质量。为此，需要将纯净且均质的硅放入拉晶机坩埚中，并加热到熔点以上几度。然后将一个小的高纯度单晶（也称为种子晶体）放入熔融质量中。液态硅将在种子晶体上固化，并在此过程中继续建立其常规晶格结构。通过缓慢旋转和向上的移动，圆柱形的水晶柱逐渐形成；之后，硅球将从水晶柱上被切割下来。
以这种方式制造并随后抛光的球体结构几乎达到完美的状态：球体任何位置的直径差均不超过100纳米。如果以这种比例迁移到地球，那么任何一座山的高度都不会超过五米。
历经两年的测量实验
为了确定体积，必须用光学方法来精确测量硅球表面上大约一百万个点。研究人员采用X射线干涉仪确定晶格中原子之间的准确距离。获得此项数据后，可以从理论上计算出适合该体积的原子数量。
硅球的内部由常规晶格组成，但是在表面上形成了一层二氧化硅SiO2。这层SiO2会影响球体的质量和体积，因此物理学家必须准确地测量出其厚度，并在计算时将其造成的影响考虑在内。之后，通过X射线荧光光谱和光电子能谱来分析球体，这个过程也需要在由真空泵产生的真空环境中进行：开启真空泵，产生约10-8mbar的超高真空系统，再将球体置于其中进行分析，这样就没有空气颗粒可吸收光子和电子，并且光子和电子也可以不受阻碍地到达探测器。
研究人员历经了两年时间，完成了对水晶球的测量，使得延续了近130年时间的千克原器最终于2018年秋被取代的，是一颗直径正好为9.37厘米，重量为1.000045904kg±0.000055克、看起来五黑通透的球体。新的标准已经于2019年5月20日起正式实施。
延伸阅读：科学家为什么要取代之前的千克原器？？
如今，大多数的测量单位都是由包含不变常数的公式确定的。 例如，米的定义是光在真空中一秒内传播距离的1/ 299,792,458，而秒的定义为铯原子振荡9,192,631,770次所需的时间。
千克原器的重量会逐渐损失
在2018年之前，千克仍是基于真实质量-千克原器的计量单位。而问题是，如果此原器损坏或丢失，则无法被替代。此外，千克原器的铂-铱合金圆柱体会随着时间的不断推移而逐渐损失其重量：自被制造出以来，它已经损失了将近50毫克，这是通过将它与分发到全球测量机构中的复制品进行比较后发现的。千克原器质量损失的原因尚未形成最终结论，可能的原因之一就是清洁过程造成的。而使用基于自然常数的全新质量定义将会完全解决此问题：必要时，人类可以随时精确复制1千克的参考质量。
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