米 國(guó)際單位制7個(gè)基本量之一
國(guó)際單位制 中的長(zhǎng)度單位,符號(hào)m。當(dāng)真空中光速 c 以單位ms 表示時(shí),將其固定數(shù)值取為299792458來(lái)定義米,其中秒用Δ v (Cs)定義 。對(duì)于一般應(yīng)用場(chǎng)合,新華字典對(duì)米的定義為:長(zhǎng)度單位,符號(hào)m,1米等于10分米 。
歷史上的長(zhǎng)度單位 世界歷史 上很多國(guó)家采取了腕尺作為長(zhǎng)度單位 。 腕尺是一種古老的長(zhǎng)度單位,它以人類手臂前臂的長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)。不同地區(qū)和時(shí)代的腕尺有所差異 。例如:
公元前3000多年, 古埃及 有兩種腕尺:一種是以國(guó)王的手臂為標(biāo)準(zhǔn),約等于0.52米;另一種是以普通人的手臂為標(biāo)準(zhǔn),約等于0.45米 ; 巴勒斯坦 的腕尺最長(zhǎng),約等于0.641米 。 英國(guó) 歷史上也使用過(guò)類似于腕尺的長(zhǎng)度單位,如英寸(inch)和英尺(foot),但它們也隨著君主和法規(guī)而變化。例如: 8世紀(jì)時(shí),英國(guó)國(guó)王 查理曼大帝 (Charlemagne)將一個(gè)腳長(zhǎng)規(guī)定為1英尺(foot),約等于0.3038米 ; 古代中國(guó),公元前16世紀(jì)至前11世紀(jì)的 商代 ,1尺等于0.158米;公元前221年, 秦始皇 統(tǒng)一度量衡 后,1尺等于0.231米;公元9年, 王莽 建立了古代計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器之一——新莽銅卡尺(也是世界上最早的 游標(biāo)卡尺 ),其長(zhǎng)度為13.3厘米;公元1682年( 康熙 21年), 清朝 規(guī)定1尺等于0.32米。這里所說(shuō)的“尺”即“ 市尺 ”。 。
檔案米尺的誕生 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,各國(guó)對(duì)長(zhǎng)度單位的定義逐漸統(tǒng)一 。18世紀(jì)末,人們開(kāi)始放棄以人體、自然物體等為標(biāo)準(zhǔn)的原始長(zhǎng)度單位,轉(zhuǎn)向科學(xué)化的度量方法 。1790年, 法國(guó)國(guó)民議會(huì) 批準(zhǔn)了法國(guó)科學(xué)院提出的“米制”方案。該方案規(guī)定以地球子午線長(zhǎng)度的四千萬(wàn)分之一為1m,并于1799年用 鉑金 制作了一根橫截面為(25.3×4.05)mm的矩形棒作為基準(zhǔn)米尺。該米尺兩端之間的距離即為1m。這就是“檔案米尺” 。
長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)的演變
米原器 1872年,30個(gè)國(guó)家在巴黎舉行了國(guó)際米制委員會(huì)(The International Commission of the Meter)會(huì)議,決定以檔案米尺為參考標(biāo)準(zhǔn),制造并分發(fā)米原器給各參會(huì)國(guó)。米原器由90%鉑和10%銥的合金制成,截面呈X形,以保證其穩(wěn)定性和耐變形性 。
1889年,第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)規(guī)定,以檔案米尺為模型制作的國(guó)際米原器取代檔案米尺,成為國(guó)際長(zhǎng)度計(jì)量的基準(zhǔn)。同時(shí)將米的定義改為:“米的長(zhǎng)度等于在水的冰點(diǎn)溫度下,米原器兩端刻線間的距離?!逼渲?號(hào)米原器保存在巴黎的 國(guó)際計(jì)量局 (BIPM) 。 1927年第7屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)進(jìn)一步明確規(guī)定了長(zhǎng)度單位“米”的定義:即國(guó)際計(jì)量局保存的鉑銥尺上兩條中間刻線的軸線在0℃時(shí)的距離 。該鉑銥尺被稱為長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)“米原器”,其復(fù)現(xiàn)不確定度約為1.1×10 。
實(shí)物量標(biāo)準(zhǔn)定義的‘米’存在許多問(wèn)題。一方 面,米原器有損壞和丟失的風(fēng)險(xiǎn),另一方面,刻線工藝和測(cè)量方法不夠精確,導(dǎo)致米原器的不確定度只有士1.1×10 (即士0.11um)。這樣的精度無(wú)法滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需求。因此,有必要用新的 自然量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)重新定義米 。
Kr波長(zhǎng)長(zhǎng)度單位 1952年, 國(guó)際計(jì)量委員會(huì) 設(shè)立米定義咨詢委員會(huì)( 現(xiàn)稱為“長(zhǎng)度咨詢委員會(huì)”),研究新的米定義 。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)中兩個(gè)固定能級(jí)之間的能量差是常數(shù)。當(dāng)光的輻射頻率f和光速c一定時(shí),它所產(chǎn)生的光波波長(zhǎng)λ也是定值,即 λ = c/f 。因此,利用光波波長(zhǎng)這一自然量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義米,取代米原器的實(shí)物量標(biāo)準(zhǔn)非常具有優(yōu)勢(shì) 。 1960年,研究取得成果: Kr原子橙黃譜線具有最窄和最對(duì)稱的輻射譜線,能在最小擾動(dòng)下產(chǎn)生,并可用其他方法測(cè)量。這一單色光譜線的波長(zhǎng)值只與其輻射頻率和真空中的光速有關(guān)。如果光速為定值,則波長(zhǎng)就是不隨時(shí)間變化、可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)復(fù)現(xiàn)的值,適于作為新定義的自然量標(biāo)準(zhǔn)。
因此,在1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上通過(guò)了米的新定義:“米的長(zhǎng)度等于 Kr原子的2p 10 和5d 5 能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中的波長(zhǎng)的1 650 763.73倍。 ”,其復(fù)現(xiàn)不確定度可以達(dá)到2.7×10 。
激光波長(zhǎng)長(zhǎng)度單位 自1960年激光技術(shù)發(fā)展以來(lái),激光具有方向性、單色性和光強(qiáng)度高等特點(diǎn),使得它在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)比SKr原子輻射譜線有著更大的優(yōu)勢(shì)。激光輻射光譜寬度極窄(可達(dá)0.0001m-1,相當(dāng)于30kHz),即使光程差達(dá)數(shù)千米,也能看到清晰的干涉圖像,適合用干涉法測(cè)量長(zhǎng)度 。
為了穩(wěn)定激光頻率,科學(xué)家們采用了多種方法,如利用蘭姆凹陷、甲烷吸收、信號(hào)發(fā)生器與壓電陶瓷調(diào)制等 。經(jīng)過(guò)多年努力,激光頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性問(wèn)題得以解決。1973年,米定義咨詢委員會(huì)建議用碘或甲烷飽和吸收穩(wěn)定的氦氖激光作為長(zhǎng)度計(jì)量的副基準(zhǔn),其波長(zhǎng)分別為682991398.1fm和3392231397.1m。1975年第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)采納了這一建議。1979年,米定義咨詢委員會(huì)又推薦用碘穩(wěn)定的0.612um氦氖激光和碘穩(wěn)定的0.515pm氬離子激光作為長(zhǎng)度測(cè)量的參考波長(zhǎng)或工作標(biāo)準(zhǔn),它們的波長(zhǎng)值分別為514 673466.2m和611970769.8fm2 。
1984 年召開(kāi)的國(guó)際計(jì)量大會(huì)上批準(zhǔn)了米的新定義是:“米是光在真空中在(1/299 792458)s的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度。 ”。這一定義利用了秒定義的高度準(zhǔn)確性和固定的真空中光速值(c=λ/f=299 792 458 m/s),使得長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度進(jìn)一步提高 。
米的量子化定義 2018年11月16日,第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)通過(guò)了《修訂國(guó)際單位制(SI)》的第一號(hào)決議。 該決議規(guī)定了從2019年 5月20日起生效新的國(guó)際單位制定 義方法。根據(jù)新定義,質(zhì)量、物質(zhì)量、電流和溫度四個(gè)基本單位將由物理常數(shù)確定,而不再依賴于實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗(yàn)公式 。這樣一來(lái),國(guó)際單位制的七個(gè)基本單位都將由七個(gè) 自然常數(shù) 定義 。 這七個(gè)自然常數(shù)分別是:
銫-133原子不受干擾的基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率:9 192 631 770 Hz ;
真空中光速 c :299 792 458 m/s ;
普朗克常數(shù)h:6.626 070 15×10 J·s ;
阿伏伽德羅常數(shù)NA:6.022 140 76×10 mol ;
基本電荷e:1.602 176 634×10 C ;
玻爾茲曼常數(shù)k:1.380 649×10 J/K ;
單色輻射頻率為540×10 Hz時(shí)的光視效能K cd :683 lm/W 。
新定義生效后,國(guó)際單位制將完全量子化,并結(jié)束了實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)的歷史 。
因此根據(jù)新方法,米的定義為 :“國(guó)際單位制中的長(zhǎng)度單位,符號(hào)m。當(dāng)真空中光速 c 以單位ms 表示時(shí),將其固定數(shù)值取為299792458來(lái)定義米,其中秒用Δ v (Cs)定義。(The metre, symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458.when expressed in the unit m/s, where the second is defined in terms of Δ v Cs .) ”
米與數(shù)量級(jí) 為了方便單位換算,國(guó)際單位制引入了倍數(shù)單位的概念。倍數(shù)單位包括十進(jìn)制的倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位,由SI詞頭和SI基本單位組成。使用倍數(shù)單位可以擴(kuò)大國(guó)際單位制的適用范圍,使其能夠適應(yīng) 各種場(chǎng)合和用途中量值大小的表達(dá) 。 SI詞頭表示不同數(shù)量級(jí)的因子 。它們是倍數(shù)單位的一部分,而不是獨(dú)立的數(shù)字或單位。它們只有加在基本單位前才有意義,并且不能重復(fù)使用 。 加上SI詞頭后的基本單位稱為倍數(shù)單位,也叫十進(jìn)制的倍數(shù)或 分?jǐn)?shù)單位 。 下表中列出了用于構(gòu)成十進(jìn)倍數(shù)單位和分?jǐn)?shù)單位的詞頭 。
表1 十進(jìn)倍數(shù)單位和分?jǐn)?shù)單位的詞頭
中文詞頭
英文詞頭
符號(hào)
數(shù)量級(jí)
國(guó)際上啟用時(shí)間
堯
yotta
Y
10
1991
澤
zetta
Z
10
1991
艾
exa
E
10
1975
拍
peta
P
10
1975
太
tera
T
10
1960
吉
giga
G
10
1960
兆
mega
M
10
1960
千
kilo
k
10
1795
百
hecto
h
10
1795
十
deca
da
10
1795
分
deci
d
10
1795
厘
centi
c
10
1795
毫
milli
m
10
1795
微
micro
μ
10
1960
納
nano
n
10
1960
皮
pico
p
10
1960
飛
femto
f
10
1964
阿
atto
a
10
1964
瓜
zepto
z
10
1991
么
yocto
y
10
1991
國(guó)際單位制與非國(guó)際單位制的轉(zhuǎn)換 理論上,國(guó)際單位制可以覆蓋科學(xué)技術(shù)的所有領(lǐng)域,取代所有其他單位制的單位。但在實(shí)際應(yīng)用中,由于歷史原因或在某些領(lǐng)域的重要作用,一些國(guó)際單位制以外的單位還沒(méi)有被完全取代或廢除。因此,國(guó)際計(jì)量大會(huì)在公布國(guó)際單位制的同時(shí),還確定了一些允許與 SI 并用的單位 。這些單位分為兩大類:與 SI 并用或與 SI 暫時(shí)并用 。
下表中是米與常見(jiàn)非國(guó)際單位制單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系 。
表2 米與常見(jiàn)非國(guó)際單位制單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系
中文名
英文名
符號(hào)
推導(dǎo)關(guān)系
對(duì)應(yīng)基本單位數(shù)值
市寸
1/10市尺(3.3cm)
0.0333m
市尺
1/3m
0.333m
市丈
10市尺
3.33m
市里
1/2km
500m
密爾
mil
1/1000 in(25.4um)
2.54×10 m
英寸
inch
in
2.54cm
0.0254m
英尺
foot
ft
12in
0.3048m
英碼
yard
yd
3ft
0.9144m
英尋
fathom
2yd
1.8288m
英里
mile
mi
1760yd
1 609.344m
海里
nautical mile
nmi|
1852m
天文單位
astronomical unit
AU
149 597 870 700m
光年
light-year
ly
c×a
9.460 7×10 m
普朗克長(zhǎng)度
Planck length
l p
1.616×10 m
米定義的復(fù)現(xiàn)方法 國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)規(guī)定了米定義的三種復(fù)現(xiàn)方法 :
(1)用于天文、大地等測(cè)量工作的復(fù)現(xiàn)方法 根據(jù) l=ct 關(guān)系式,由所測(cè)出的時(shí)間 t 與定的光速值c復(fù)現(xiàn)長(zhǎng)度l 。
(2)用于實(shí)驗(yàn)室計(jì)量工作的復(fù)現(xiàn)方法, 根據(jù)=c/f關(guān)系式,由所測(cè)出的頻率與給定的光速值 c 復(fù)現(xiàn)波長(zhǎng)值入 。
(3)用于一般測(cè)量工作的復(fù)現(xiàn)方法, 可以使用米定義咨詢委員會(huì)推薦使用的五種激光輻射和兩類同位素光譜燈輻射的任一種來(lái)復(fù)現(xiàn)米。
所推薦的五種激光輻射是:
1)甲烷吸收穩(wěn)頻的氨激光輻射 (CH4,γ 3 , P (7),F(xiàn) 2 )
f =88 376 181 607 kHz;
λ=3 392 231297.0 fm;
2)碘吸收穩(wěn)頻的染料激光或 1.15 μm 氨激光的倍頻輻射( I 2 ,I7-1, P (62), O )
f=520 206 808.53 kHz;
λ=576 294 706.25 fm;
相對(duì)不確定度為6X10 。
3)碘吸收穩(wěn)頻的氨氛激光輻射( I 2 ,11-5, R (127), i )
f=473 612 214.8 MHz;
λ=632 991 398.1 fm;
相對(duì)不確定度為 1X10 。
4)碘吸收穩(wěn)頻的氨氛激光輻射( I 2, 9-2, R (47), O )
f=489 880 355.1 MHz;
λ=611 970 769.8 fm;
相對(duì)不確定度為 1.1X10 。
5)碘吸收穩(wěn)頻的離子激光輻射( I 2 ,43-0, P (13, α 3 )
f=582 490 603.6 MHz;
λ=514 673 466.2 fm;
相對(duì)不確定度為1.3X10 。
所推薦使用的兩類同位素光譜燈輻射是:
1)對(duì)應(yīng)于 Kr 原子在 2p 10 及 5d 5 能級(jí)之間躍遷的輻射
f=494 886 516.5 MHz;
λ=605 780 210.2 fm;
相對(duì)不確定度為4X10 。
通過(guò)以上的方法,米的復(fù)現(xiàn)不受某一基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度或某種基準(zhǔn)物質(zhì)的性能影響,而且復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確度與定義本身無(wú)關(guān),有利于根據(jù)測(cè)量的需要選擇 最合適的復(fù)現(xiàn)方法 。