百年歷史「公斤」單位重新定義!普朗克常數將取代鉑銥公斤原器

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原先用來定義公斤的標準「鉑銥公斤原器」(IPK)是由 90% 的鉑(platinum)及 10% 銥(iridium)組成,有不易膨脹與氧化的特性。IPK 一直放在真空封存的三層玻璃罩內並存放在法國賽爾夫國際度量衡局(BIMP) ,世界各地以此作為合規複製品來定義「公斤」單位,在台灣所使用的公斤原器保存於新竹工研院的「國家度量衡標準實驗室」,國際度量衡局在明年將以新的「普朗克常數」作為「1 公斤」的定義。

129 年鉑銥公斤原器走入度量衡歷史

以鉑銥合金鑄造的 IPK 在 1889 年時算是高科技產品,不過目前七大公制單位,有六項是由自然常數定義,公斤是唯一仍使用人工實物 (material artifact) 進行定義的基本單位。其缺點在於它的定義須仰賴人工實物的穩定性,實際上國際公斤原器的質量隨著時間的推移會發生微小的變化。

隨著時間流逝,IPK 受到灰塵、濕氣影響在測量質量微小物質時會產生誤差,雖然這樣的誤差對我們來說微乎其微,對科學家來講已不夠精準,本週五將舉行第 26 屆國際度量衡大會(CGPM)將改成新的定義方式「普朗克常數」作為「1 公斤」的標準取代這項物理人工製品。

新的「公斤」如何定義

新的質量單位將以基於「普朗克常數」的瓦特天秤 (Kibble balance) 來測量,目前世界上僅有兩個實驗室設法打造出 Kibble 天枰,一個由加拿大國家研究委員會管理,另一個則由美國國家標準與技術研究營運。 Kibble 天枰的平衡非常精準,科學家就連在測量時密閉空間的局部重力場都得測量,同時必須保存在密封的真空中。

從此以後兩大基本度量質量和長度,將來自物理學的兩大基本理論:量子力學和狹義相對論。前者給了我們普朗克常數, 將在未來定義新的質量,而後者給了我們光速,已用來定義了長度。

除了質量單位「公斤」,包含溫度單位「克耳文」、電流單位「安培」與物質量單位「莫耳」,分別改由物理常數中的普朗克常數、波茲曼常數、基本電荷與亞佛加厥常數定義,並預計明年五月正式實施。

用常數取代物理製品對科學家來說能達到無懈可擊之度量精確度的氛圍,不過對各國來說可能將帶來不小衝擊,在台灣以奈米為製程基本單位的半導體產業首當其衝。先前經濟部國家度量衡標準實驗室傳出籌不到經費無法跟進,公斤量測校正標準將降為二級,半導體產業檢測上良率精確度將受到影響。未來能否爭取經費跟進國際度量衡,維持競爭力是台灣半導體將面臨的一大挑戰。

補充

不過,除了瓦特天平,另一測量法矽晶球法為工研院採取方式,今年十月份公布投入矽晶球質量新標準,此矽晶球為矽 28 純度超過 99.99%、直徑為 93.7mm 且真圓度為數十奈米的完美球體,藉由計數矽晶球內含有多少顆矽原子,再乘以單顆矽原子平均質量,來準確計算出矽晶球的質量,如此一來台灣也能跟進新質量定義!

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