基本物理常數(shù)及量子基準(zhǔn)的建立

1、基本物理常數(shù)和量子基準(zhǔn)基本物理常數(shù)和量子基準(zhǔn)的建立的建立組員：張光明、葛慎、張文琦、談紅偉組員：張光明、葛慎、張文琦、談紅偉課程：現(xiàn)代計(jì)量學(xué)課程：現(xiàn)代計(jì)量學(xué)日期：日期：2013年年6月月04日日LOGO目 錄一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷二、二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立建立LOGO一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷1.1、計(jì)量基準(zhǔn)起源計(jì)量基準(zhǔn)起源自人類社會(huì)建立以來，物質(zhì)交換活動(dòng)就一直在進(jìn)行。為了把客觀世界的特性用數(shù)量表達(dá)，就需要進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程實(shí)質(zhì)上是一種比較的過程。要進(jìn)行比較，當(dāng)然要有一個(gè)特定的比較對(duì)象，而這個(gè)特定比較對(duì)象即是所謂計(jì)量基準(zhǔn)。在長(zhǎng)期的探索過

2、程中，人類社會(huì)中出現(xiàn)各式各樣的計(jì)量基準(zhǔn)。針對(duì)這些計(jì)量基準(zhǔn)的不同特性（時(shí)間、長(zhǎng)度等），物質(zhì)的量化也就有了不同的單位（秒、米）來對(duì)其進(jìn)行描述。實(shí)際上計(jì)量基準(zhǔn)即是用于保存和復(fù)現(xiàn)這些基本單位的裝置。為了保證計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性，統(tǒng)一計(jì)量單位和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是必要的。1LOGO一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷1.21.2、計(jì)量基準(zhǔn)建立的發(fā)展、計(jì)量基準(zhǔn)建立的發(fā)展v 秦始皇首次統(tǒng)一中國(guó)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)(統(tǒng)一度量衡) 是歷史上我國(guó)對(duì)計(jì)量事業(yè)的重要貢獻(xiàn)。v 18 世紀(jì)以后由于世界性的工業(yè)革命以及國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展，首先在歐洲形成了一種國(guó)際性的計(jì)量單位制米制, 確定了以米、千克、秒為最基本的計(jì)量單位。v 目前國(guó)際上一致公認(rèn)的

3、國(guó)際單位制SI。其中規(guī)定了米、千克、秒、安培、開爾文、坎德拉、摩爾7 個(gè)基本單位，其他各種單位則由這7 個(gè)基本單位導(dǎo)出。2LOGO一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷1.31.3、國(guó)際單位制、國(guó)際單位制7 7個(gè)基本單位個(gè)基本單位3LOGO 20 世紀(jì)50 年代以前, 計(jì)量基準(zhǔn)的量值一般是由實(shí)物基準(zhǔn)所保存及復(fù)現(xiàn)的。這種實(shí)物基準(zhǔn)一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理, 用某種特別穩(wěn)定的實(shí)物來實(shí)現(xiàn), 而且總是用工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成, 以保證其穩(wěn)定性。v 千克砝碼原器就是用鉑銥合金制成的一個(gè)圓柱體。v X 型鉑銥合金米尺兩條刻線間距定義為長(zhǎng)度單位米。v 電學(xué)實(shí)物基準(zhǔn)是保存在國(guó)際計(jì)量局的飽和式韋斯頓

4、標(biāo)準(zhǔn)電池組。v 一組標(biāo)準(zhǔn)電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位。 一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷1. 1.4 4計(jì)量基準(zhǔn)的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量基準(zhǔn)的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)4LOGO隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展, 這樣的傳統(tǒng)計(jì)量量值傳遞檢定系統(tǒng)開始反映出下列的不足之處:v實(shí)物基準(zhǔn)一旦制成后, 總會(huì)有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使它的特性發(fā)生緩慢的變化, 因而它所保存的量值也會(huì)有所改變。v最高等級(jí)的實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)全世界只有一個(gè)或一套，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭(zhēng)或其他原因發(fā)生意外損壞，無法完全一模一樣地復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會(huì)因之中斷。v量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜, 從最高等級(jí)的實(shí)物基準(zhǔn)到具體應(yīng)用場(chǎng)所, 量值要經(jīng)過多次傳遞,

5、準(zhǔn)確度也必然會(huì)有所下降。一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷1.51.5、實(shí)物基準(zhǔn)的不足之處、實(shí)物基準(zhǔn)的不足之處5LOGO 從20 世紀(jì)初開始，人們對(duì)光輻射以及原子、分子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了一系列的研究。v 普朗克在1900年提出了能量子假說（基于黑體輻射）,給出了著名的普朗克公式0=h.v 愛因斯坦隨后提出光量子假說（基于電磁輻射）。v 德布羅意進(jìn)一步提出像分子、原子、電子這樣的實(shí)物微粒也具有波粒二象性。v 海森伯提出關(guān)于微觀粒子波動(dòng)和離子之間不確定關(guān)系式Eth/2。一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷1.61.6、量子基準(zhǔn)的建立、量子基準(zhǔn)的建立6LOGO 這一些列的研究推動(dòng)了計(jì)量基準(zhǔn)

6、的建立由宏觀層面轉(zhuǎn)向微觀層面。量子基準(zhǔn)的特點(diǎn)是即使物體的宏觀參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生了緩慢變化, 也不會(huì)影響物體中微觀粒子的量子躍遷過程，微觀粒子量子躍遷現(xiàn)象可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)用原理相同的裝置重復(fù)產(chǎn)生，因而使計(jì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度可以達(dá)到空前的高度。于是，一系列基于量子躍遷現(xiàn)象的量子基準(zhǔn)得以建立。v 第一個(gè)付諸實(shí)用的量子計(jì)量基準(zhǔn)是1960 年國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過采用的Kr-86光波長(zhǎng)度基準(zhǔn)。v 第二個(gè)量子計(jì)量基準(zhǔn), 也是最著名和最成功的一種量子計(jì)量基準(zhǔn), 是1967 年在國(guó)際上正式啟用的銫原子鐘。一、一、計(jì)量基準(zhǔn)的變遷計(jì)量基準(zhǔn)的變遷7LOGO 基本物理常數(shù)：是物理領(lǐng)域的一些普適常數(shù)，主要是指原子物理

7、學(xué)中常用的一些常數(shù)。它們不隨時(shí)間、地點(diǎn)或環(huán)境條件的影響而變化。最基本的有真空中光速,普朗克常數(shù)h、基本電荷e、電子靜止質(zhì)量me和阿伏伽德羅常數(shù)NA等。基本物理常數(shù)共有30多個(gè)，加上其組合量則有4050個(gè)，它們之間有著深刻的聯(lián)系，并不是彼此獨(dú)立的。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2.12.1、基本物理常數(shù)、基本物理常數(shù)8LOGO上述根據(jù)某種微粒子量子躍遷現(xiàn)象而得出的量子基準(zhǔn)還有其局限性，主要反映在它依賴于某一種原子的特定量子躍遷過程，如果后來又發(fā)現(xiàn)了別的更準(zhǔn)確的量子躍遷過程，就會(huì)出現(xiàn)修改單位定義的問題， 因此從上世紀(jì)八十年代起，人們又不斷探討另一種更好的方法，即用

8、基本物理常數(shù)來作為計(jì)量基準(zhǔn)的方法。這種定義的特點(diǎn)表現(xiàn)在, 今后隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高，計(jì)量單位的準(zhǔn)確度可不斷改進(jìn)而無需改動(dòng)其定義。v例：國(guó)際計(jì)量委員會(huì)于1982 年決定把長(zhǎng)度單位米的定義改為“ 米是光在真空中1/299 792 458 秒時(shí)間間隔內(nèi)所行進(jìn)的路程的長(zhǎng)度”。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2.22.2、基本物理常數(shù)作為計(jì)量基準(zhǔn)、基本物理常數(shù)作為計(jì)量基準(zhǔn)9LOGO與量子基準(zhǔn)建立有關(guān)的基本物理常數(shù)有：v真空中光速v普朗克常數(shù)hv基本電荷ev玻耳茲曼常量kv阿伏伽德羅常數(shù)NA二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2.32.3、量子基準(zhǔn)

9、建立有關(guān)的基本物理常數(shù)、量子基準(zhǔn)建立有關(guān)的基本物理常數(shù)10LOGO以上基本物理常數(shù)的產(chǎn)生也說明了基本物理常數(shù)與物理學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，一些重大物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和物理新理論的創(chuàng)立，均與基本物理常數(shù)有密切聯(lián)系。例如,電子的發(fā)現(xiàn)是通過對(duì)電子荷質(zhì)比(e/m)的測(cè)定而確定的。普朗克建立量子論的同時(shí),提出了普朗克常數(shù)。光速是四個(gè)準(zhǔn)確的基本常數(shù)之一,它也是狹義相對(duì)論成立的基礎(chǔ)。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立11LOGO由于基本常數(shù)領(lǐng)域中工作的不斷進(jìn)展，常數(shù)數(shù)值也會(huì)不斷更新。為了在全球使用同一標(biāo)準(zhǔn)，1966年國(guó)際科協(xié)聯(lián)合會(huì)成立了科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)(the Committee on

10、 Data for Science and Technology,簡(jiǎn)稱CODATA)。CODATA于1969年設(shè)立了基本常數(shù)任務(wù)組，其任務(wù)是定期提供基本常數(shù)值。CODATA 在1973年、1986年兩次推薦了基本常數(shù)值,后者的精度比前者平均約提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。自1998年開始，CODATA 每四年提供一次最新的基本常數(shù)值，即1998年、2002年、2006年先后三次推出了最新基本常數(shù)。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2.32.3、基本物理常數(shù)的統(tǒng)一和修正、基本物理常數(shù)的統(tǒng)一和修正12LOGO二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立13LO

11、GO在常數(shù)的數(shù)據(jù)處理中，多年來國(guó)際上一直采用最小二乘法平差來得出常數(shù)的一組最佳值。用這種方法可盡量減少常數(shù)最佳值的偶然誤差，但并不能消除測(cè)量中的系統(tǒng)誤差。近年來，根據(jù)天文和地球物理的觀測(cè)資料，一些物理學(xué)家提出了基本物理常數(shù)可能隨時(shí)間變化的理論推測(cè)。這些推測(cè)可能有助于推動(dòng)物理學(xué)家和計(jì)量學(xué)家去對(duì)基本物理常數(shù)進(jìn)行更精密的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。但迄今為止，上述理論推測(cè)的論點(diǎn)還是不充分的，實(shí)驗(yàn)上也沒有能夠證實(shí)基本物理常數(shù)有隨時(shí)間的變化。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立14LOGO頻率量是當(dāng)今人類所有測(cè)量中最準(zhǔn)確計(jì)量的物理量,不確定度已達(dá)到10-15 量級(jí)，甚至向更小的量級(jí)發(fā)展。根據(jù)這

12、一點(diǎn), 如以頻率為主單位, 再配以一定的基本物理常數(shù), 即可構(gòu)成新的單位制體系, 這是以基本物理常數(shù)為基礎(chǔ)的直接利用量子效應(yīng)來建立計(jì)量基準(zhǔn)的思想基礎(chǔ)。 時(shí)間頻率量子基準(zhǔn)基于的原理是：由于銫-133 的能級(jí)十分穩(wěn)定，利用銫-133 原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射的9 192 631 770 個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。其特點(diǎn)是高度的可靠性和可復(fù)制性。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2.4 2.4 、基本物理常數(shù)和時(shí)間量子基準(zhǔn)、基本物理常數(shù)和時(shí)間量子基準(zhǔn)15LOGO2. 2.5 5、基本物理常數(shù)和長(zhǎng)度單位的量子基準(zhǔn)、基本物理常數(shù)和長(zhǎng)度單位的量子基準(zhǔn)長(zhǎng)度單位米的計(jì)量基

13、準(zhǔn)隨著計(jì)量科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了由實(shí)物基準(zhǔn)氪-86光波長(zhǎng)度基準(zhǔn)（米的第一代量子基準(zhǔn)）與基本物理常數(shù)相聯(lián)系的633nm氦氖激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)（米的第二代量子基準(zhǔn)）的變革過程。 第二代量子基準(zhǔn)“ 米” 的定義方程是利用光波長(zhǎng)入與光速C 之間的關(guān)系式: C =f:.= Cf -1其中f 為待測(cè)的某一特定單色光頻率。用實(shí)驗(yàn)由激光的頻率來導(dǎo)出其波長(zhǎng)值, 從而進(jìn)一步定義長(zhǎng)度單位。這種定義的特點(diǎn)表現(xiàn)在, 今后隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高, 米單位的準(zhǔn)確度可不斷改進(jìn)而無需改動(dòng)米的定義。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立16LOGO1988年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)建議，從1990年1月1日起在全世界范圍內(nèi)

14、啟用約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)和量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)以代替原來的由標(biāo)準(zhǔn)電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻維持的實(shí)物基準(zhǔn)，并且給出了這兩種新標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的約瑟夫森常數(shù)和馮.克里青常數(shù)的國(guó)際推薦值。902483597.9/JeKGHz Vh約瑟夫森常數(shù)90225812.807KhRe馮.克里青常數(shù)二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2. 2.6 6、基本物理常數(shù)和電學(xué)量的量子基準(zhǔn)、基本物理常數(shù)和電學(xué)量的量子基準(zhǔn)17LOGO1、用交流約瑟夫森效應(yīng)來建立電壓基準(zhǔn)“ 伏特 2eV=nh V=n(h/2e) n=1，2，3， (1) n 是一個(gè)正整數(shù)2 2、用量子霍爾效應(yīng)來建立電阻基準(zhǔn)“歐姆” RH=h/(i

15、e2) i=1，2，3， (2) i 是一個(gè)正整數(shù) 以上量子基準(zhǔn)的建立等效于用普朗克常數(shù)h和基本電荷e這兩個(gè)基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出電壓?jiǎn)挝缓碗娮鑶挝弧６?、基本物理常?shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2. 2.6.16.1、電壓和電阻的量子基準(zhǔn)、電壓和電阻的量子基準(zhǔn)18LOGO20世紀(jì)50年代有人提出可以對(duì)加速器中的電子流進(jìn)行直接計(jì)數(shù)而實(shí)現(xiàn)基于電子的電荷量這一基本物理常數(shù)以及頻率量的電流量子基準(zhǔn)。到了90年代，這一想法已有可能通過另一途徑實(shí)現(xiàn)，這就是當(dāng)前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)單電隧道效應(yīng)。充有電荷Q的電容器C儲(chǔ)能為22QWC二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基

16、準(zhǔn)的建立2. 2.6.26.2、電流的量子基準(zhǔn)、電流的量子基準(zhǔn)19LOGO如果控制好電容器兩邊的位壘大小，使得電子總是從這一邊流入而從另一邊流出，就可形成單向的電流，其中的電子可以一個(gè)一個(gè)地計(jì)數(shù)。如電子進(jìn)出電容器的頻率為，電子的電荷量為e，則相應(yīng)的電流表達(dá)式為I=e這樣就可實(shí)現(xiàn)基于電子電荷量這一基本物理常數(shù)以及頻率量的量子電流基準(zhǔn)。此量子基準(zhǔn)的建立同樣可以用基本電荷e這個(gè)基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出電流單位。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立20LOGO但是，電流基準(zhǔn)的建立依然存在困難：1、電容器的電極必須做得非常小。目前用微電子刻蝕法做出的電極的線度在幾十納米量

17、級(jí)。2、要求電容器所處的環(huán)境溫度很低。實(shí)驗(yàn)表明只有當(dāng)達(dá)到幾mK這樣的深低溫時(shí)才能觀察到明顯的單電子隧道效應(yīng)。3、要求頻率很高。采用常用的高頻信號(hào)耦合技術(shù)時(shí)，只能達(dá)到MHz量級(jí)，此時(shí)相應(yīng)的電流只有pA量級(jí)。頻率再高時(shí)由于線路寄生參數(shù)的影響，電路不能正常工作。而當(dāng)前能夠精密測(cè)量的小電流至少需達(dá)到A量級(jí)，兩者相差了六個(gè)數(shù)量級(jí)。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立21LOGO在電壓量子基準(zhǔn)和電阻量子基準(zhǔn)建立之后，電功率的量子基準(zhǔn)就可以導(dǎo)出。電功率的量子基準(zhǔn), 可設(shè)想在量子化霍爾電阻RH=h/(ie2)上加一約瑟夫遜直流電壓V=n(h/2e) 則得其電功率為:p=v2/RH=

18、n2ih2 /4此量子基準(zhǔn)的建立同樣可以用普朗克常量h這個(gè)基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出電流單位。因而，與功率有關(guān)的量子基準(zhǔn)可以通過此公式導(dǎo)出。2. 2.6.36.3、電功率的量子基準(zhǔn)、電功率的量子基準(zhǔn)二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立22LOGO目前, 各國(guó)的計(jì)量研究院正在努力攻克經(jīng)典計(jì)量學(xué)中的頑固堡壘 質(zhì)量單位的實(shí)物基準(zhǔn)，即希望用某種量子計(jì)量基準(zhǔn)來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實(shí)物基準(zhǔn)。此實(shí)物基準(zhǔn)是19世紀(jì)制成的, 當(dāng)時(shí)估計(jì)其準(zhǔn)確度為10-9量級(jí), 在19世紀(jì)的各種計(jì)量基準(zhǔn)中首屈一指?？上У氖瞧浜箨懤m(xù)發(fā)現(xiàn)了不少因素（表面氧化、吸附雜質(zhì)等）會(huì)使其保存的質(zhì)量量值不斷

19、發(fā)生變化。該砝碼質(zhì)量的增加量可能已達(dá)到了十多微克( 110-8以上)。為建立質(zhì)量單位量子基準(zhǔn)，目前，正在進(jìn)行的有3種方案。1、硅球法2、瓦特天平法3、金粒子法二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2. 2.7 7、基本物理常數(shù)和質(zhì)量的量子基準(zhǔn)、基本物理常數(shù)和質(zhì)量的量子基準(zhǔn)23LOGO這種方法原理是是把硅原子質(zhì)的質(zhì)量作為基本標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)單晶硅晶體中原子計(jì)數(shù)，利用阿伏伽德羅常數(shù)過渡到宏觀質(zhì)量。但是，這一方案雖經(jīng)多年探索, 準(zhǔn)確度還只達(dá)到10-8量級(jí), 尚未能直接取代鉑銥合金砝碼。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2. 2.7.17.1、質(zhì)量的

20、量子基準(zhǔn)之硅球法、質(zhì)量的量子基準(zhǔn)之硅球法24LOGO 這種方法是通過電功率天平把電功率與力學(xué)功率聯(lián)系起來。在一架精密天平上一邊掛上一個(gè)通以電流的線圈, 并用約瑟夫森電壓和量子化霍爾電阻導(dǎo)出量子電功率基準(zhǔn)。天平的另一邊用砝碼平衡, 再經(jīng)過速度及重力導(dǎo)出質(zhì)量量值。這樣就把質(zhì)量的量值溯源到了量子電學(xué)基準(zhǔn), 因此也是一種量子質(zhì)量基準(zhǔn)。通過電壓的量子基準(zhǔn)和電阻的量子基準(zhǔn)利用普朗克常數(shù)導(dǎo)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。Mgv=p=v2/RH=n2ih2盡管這種方案構(gòu)思十分巧妙, 但稍嫌復(fù)雜, 目前的準(zhǔn)確度也只能達(dá)到10-8量級(jí)。2. 2.7.27.2、質(zhì)量的量子基準(zhǔn)之瓦特天平法、質(zhì)量的量子基準(zhǔn)之瓦特天平法二、基本物理常數(shù)與量

21、子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立25LOGO2URmgv 2,1,2,3,hRiie02,1,2,3,ehfUnn2204hgvmif n當(dāng)天平兩端的重力mg和洛倫茲力F達(dá)到平衡時(shí)二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立26LOGO這種方案是把金的離子射線收集起來得到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，射線中的金離子個(gè)數(shù)通過測(cè)量金離子對(duì)應(yīng)的電流來確定。該方法是測(cè)定197Au單原子質(zhì)量, 然后利用原子個(gè)數(shù)定義千克基準(zhǔn)。具體方法為: 一個(gè)Au 粒子發(fā)射源發(fā)射金粒子到一個(gè)收集器內(nèi), 然后通過比較器對(duì)收集到的一定數(shù)量粒子質(zhì)量。同時(shí)精確測(cè)定收集金粒子時(shí)的電量Q。Q與基本電荷e之比就是在收集期間

22、通過的金粒子的數(shù)量。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2. 2.7.37.3、質(zhì)量的量子基準(zhǔn)之金粒子法、質(zhì)量的量子基準(zhǔn)之金粒子法27LOGO二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立28LOGO在熱學(xué)方面,已實(shí)現(xiàn)用聲速法用波爾茲曼常數(shù)k 復(fù)現(xiàn)溫度單位開爾文, 比原有的水三相點(diǎn)定義有了很大提高。為建立“ 開爾文” 的量子基準(zhǔn), 將一個(gè)約瑟夫遜直流電壓加于量子化霍爾電阻上, 則得其電功率的表達(dá)式：p=v2/RH=n2ih2 /4 (w)再根據(jù)近來Storm 等人的實(shí)驗(yàn), 得出量子化霍爾電阻上的噪聲功率為:p1=mKT(w); m=1, 2 , 3, 其中K 為玻耳茲曼常數(shù), 為電磁波頻率, 而m 為量子數(shù)。如使p=p1 ,則：T=n2ih / (4mK) (k) 由此可見, 熱力學(xué)溫度的單位量值開爾文可以通過基本物理常數(shù)h和K結(jié)合頻率導(dǎo)出 。這樣, 便成了“開爾文” 的量子基準(zhǔn)。二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立二、基本物理常數(shù)與量子基準(zhǔn)的建立2. 2.8 8、基本物理常數(shù)和熱學(xué)單位的量子基準(zhǔn)、基本物理常數(shù)和熱學(xué)單位的量子基準(zhǔn)29LOGO“ 摩爾” 與質(zhì)量單位“ 千克” 密切相關(guān)。由于當(dāng)系統(tǒng)物質(zhì)的量為l摩爾時(shí), 其中所含的基本單元數(shù)剛好為阿伏加德羅常數(shù)NA , 所以“摩爾”基準(zhǔn)的建立是通過