基本物理常數(shù)和量子基準的建立

基本物理常數(shù)和量子基準的建立第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四目錄一、計量基準的變遷二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四一、計量基準的變遷1.1、計量基準起源自人類社會建立以來，物質(zhì)交換活動就一直在進行。為了把客觀世界的特性用數(shù)量表達，就需要進行測量，測量過程實質(zhì)上是一種比較的過程。要進行比較，當然要有一個特定的比較對象，而這個特定比較對象即是所謂計量基準。在長期的探索過程中，人類社會中出現(xiàn)各式各樣的計量基準。針對這些計量基準的不同特性（時間、長度等），物質(zhì)的量化也就有了不同的單位（秒、米）來對其進行描述。實際上計量基準即是用于保存和復(fù)現(xiàn)這些基本單位的裝置。為了保證計量的準確性和可靠性，統(tǒng)一計量單位和計量標準是必要的。1第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四一、計量基準的變遷1.2、計量基準建立的發(fā)展秦始皇首次統(tǒng)一中國的計量標準(統(tǒng)一度量衡)是歷史上我國對計量事業(yè)的重要貢獻。18世紀以后由于世界性的工業(yè)革命以及國際貿(mào)易的發(fā)展，首先在歐洲形成了一種國際性的計量單位制—米制,確定了以米、千克、秒為最基本的計量單位。目前國際上一致公認的國際單位制SI。其中規(guī)定了米、千克、秒、安培、開爾文、坎德拉、摩爾7個基本單位，其他各種單位則由這7個基本單位導(dǎo)出。2第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四一、計量基準的變遷1.3、國際單位制7個基本單位3第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四20世紀50年代以前,計量基準的量值一般是由實物基準所保存及復(fù)現(xiàn)的。這種實物基準一般是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的原理,用某種特別穩(wěn)定的實物來實現(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。千克砝碼原器就是用鉑銥合金制成的一個圓柱體。X型鉑銥合金米尺兩條刻線間距定義為長度單位米。電學(xué)實物基準是保存在國際計量局的飽和式韋斯頓標準電池組。一組標準電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位。

一、計量基準的變遷1.4計量基準的實物標準4第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四隨著科技及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,這樣的傳統(tǒng)計量量值傳遞檢定系統(tǒng)開始反映出下列的不足之處:實物基準一旦制成后,總會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有所改變。最高等級的實物計量基準全世界只有一個或一套，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭或其他原因發(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因之中斷。量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜,從最高等級的實物基準到具體應(yīng)用場所,量值要經(jīng)過多次傳遞,準確度也必然會有所下降。一、計量基準的變遷1.5、實物基準的不足之處5第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四從20世紀初開始，人們對光輻射以及原子、分子等微觀粒子的運動規(guī)律進行了一系列的研究。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ε0=hν.愛因斯坦隨后提出光量子假說（基于電磁輻射）。德布羅意進一步提出像分子、原子、電子這樣的實物微粒也具有波粒二象性。海森伯提出關(guān)于微觀粒子波動和離子之間不確定關(guān)系式ΔEΔt≈h/2π。一、計量基準的變遷1.6、量子基準的建立6第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四這一些列的研究推動了計量基準的建立由宏觀層面轉(zhuǎn)向微觀層面。量子基準的特點是即使物體的宏觀參數(shù)隨時間發(fā)生了緩慢變化,也不會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)象可以在任何時間、任何地點用原理相同的裝置重復(fù)產(chǎn)生，因而使計量基準的穩(wěn)定性和準確度可以達到空前的高度。于是，一系列基于量子躍遷現(xiàn)象的量子基準得以建立。第一個付諸實用的量子計量基準是1960年國際計量大會通過采用的Kr-86光波長度基準。第二個量子計量基準,也是最著名和最成功的一種量子計量基準,是1967年在國際上正式啟用的銫原子鐘。一、計量基準的變遷7第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四基本物理常數(shù)：是物理領(lǐng)域的一些普適常數(shù)，主要是指原子物理學(xué)中常用的一些常數(shù)。它們不隨時間、地點或環(huán)境條件的影響而變化。最基本的有真空中光速с,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?；疚锢沓?shù)共有30多個，加上其組合量則有40～50個，它們之間有著深刻的聯(lián)系，并不是彼此獨立的。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.1、基本物理常數(shù)8第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四上述根據(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)了別的更準確的量子躍遷過程，就會出現(xiàn)修改單位定義的問題，

因此從上世紀八十年代起，人們又不斷探討另一種更好的方法，即用基本物理常數(shù)來作為計量基準的方法。這種定義的特點表現(xiàn)在,今后隨著實驗技術(shù)的提高，計量單位的準確度可不斷改進而無需改動其定義。例：國際計量委員會于1982年決定把長度單位米的定義改為“米是光在真空中1/299792458秒時間間隔內(nèi)所行進的路程的長度”。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.2、基本物理常數(shù)作為計量基準9第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四與量子基準建立有關(guān)的基本物理常數(shù)有：真空中光速с普朗克常數(shù)h基本電荷e玻耳茲曼常量k阿伏伽德羅常數(shù)NA二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.3、量子基準建立有關(guān)的基本物理常數(shù)10第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四以上基本物理常數(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)是通過對電子荷質(zhì)比(e/m)的測定而確定的。普朗克建立量子論的同時,提出了普朗克常數(shù)。光速是四個準確的基本常數(shù)之一,它也是狹義相對論成立的基礎(chǔ)。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立11第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四由于基本常數(shù)領(lǐng)域中工作的不斷進展，常數(shù)數(shù)值也會不斷更新。為了在全球使用同一標準，1966年國際科協(xié)聯(lián)合會成立了科學(xué)技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(theCommitteeonDataforScienceandTechnology,簡稱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數(shù)量級。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)與量子基準的建立2.3、基本物理常數(shù)的統(tǒng)一和修正12第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立13第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四在常數(shù)的數(shù)據(jù)處理中，多年來國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，但并不能消除測量中的系統(tǒng)誤差。近年來，根據(jù)天文和地球物理的觀測資料，一些物理學(xué)家提出了基本物理常數(shù)可能隨時間變化的理論推測。這些推測可能有助于推動物理學(xué)家和計量學(xué)家去對基本物理常數(shù)進行更精密的實驗測量。但迄今為止，上述理論推測的論點還是不充分的，實驗上也沒有能夠證實基本物理常數(shù)有隨時間的變化。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立14第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四頻率量是當今人類所有測量中最準確計量的物理量,不確定度已達到10-15

量級，甚至向更小的量級發(fā)展。根據(jù)這一點,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)來建立計量基準的思想基礎(chǔ)。

時間頻率量子基準基于的原理是：由于銫-133的能級十分穩(wěn)定，利用銫-133原子基態(tài)兩個超精細能級間躍遷相對應(yīng)的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間。其特點是高度的可靠性和可復(fù)制性。

二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.4、基本物理常數(shù)和時間量子基準15第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四2.5、基本物理常數(shù)和長度單位的量子基準長度單位米的計量基準隨著計量科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了由實物基準—氪-86光波長度基準（米的第一代量子基準）—與基本物理常數(shù)相聯(lián)系的633nm氦氖激光波長基準（米的第二代量子基準）的變革過程。第二代量子基準“米”的定義方程是利用光波長入與光速C之間的關(guān)系式:C=λ×f:.λ=C×f-1其中f為待測的某一特定單色光頻率。用實驗由激光的頻率來導(dǎo)出其波長值,從而進一步定義長度單位。這種定義的特點表現(xiàn)在,今后隨著實驗技術(shù)的提高,米單位的準確度可不斷改進而無需改動米的定義。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立16第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四1988年國際計量委員會建議，從1990年1月1日起在全世界范圍內(nèi)啟用約瑟夫森電壓標準和量子化霍爾電阻標準以代替原來的由標準電池和標準電阻維持的實物基準，并且給出了這兩種新標準中所涉及的約瑟夫森常數(shù)和馮.克里青常數(shù)的國際推薦值。約瑟夫森常數(shù)馮.克里青常數(shù)二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.6、基本物理常數(shù)和電學(xué)量的量子基準17第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四1、用交流約瑟夫森效應(yīng)來建立電壓基準“伏特’

2eV=nhνV=n(h/2e)νn=1，2，3，…(1)n

是一個正整數(shù)2、用量子霍爾效應(yīng)來建立電阻基準“歐姆”RH=h/(ie2)i=1，2，3，…(2)

i

是一個正整數(shù)

以上量子基準的建立等效于用普朗克常數(shù)h和基本電荷e這兩個基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標準導(dǎo)出電壓單位和電阻單位。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.6.1、電壓和電阻的量子基準18第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四20世紀50年代有人提出可以對加速器中的電子流進行直接計數(shù)而實現(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。到了90年代，這一想法已有可能通過另一途徑實現(xiàn)，這就是當前國際上的研究熱點——單電隧道效應(yīng)。充有電荷Q的電容器C儲能為二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.6.2、電流的量子基準19第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四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一個地計數(shù)。如電子進出電容器的頻率為ν，電子的電荷量為e，則相應(yīng)的電流表達式為I=eν這樣就可實現(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。此量子基準的建立同樣可以用基本電荷e這個基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標準導(dǎo)出電流單位。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立20第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四但是，電流基準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級。2、要求電容器所處的環(huán)境溫度很低。實驗表明只有當達到幾mK這樣的深低溫時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耦合技術(shù)時，只能達到MHz量級，此時相應(yīng)的電流只有pA量級。頻率再高時由于線路寄生參數(shù)的影響，電路不能正常工作。而當前能夠精密測量的小電流至少需達到μA量級，兩者相差了六個數(shù)量級。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立21第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四在電壓量子基準和電阻量子基準建立之后，電功率的量子基準就可以導(dǎo)出。電功率的量子基準,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=n2ihν2/4此量子基準的建立同樣可以用普朗克常量h這個基本物理常數(shù)結(jié)合頻率標準導(dǎo)出電流單位。因而，與功率有關(guān)的量子基準可以通過此公式導(dǎo)出。2.6.3、電功率的量子基準二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立22第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四目前,各國的計量研究院正在努力攻克經(jīng)典計量學(xué)中的頑固堡壘—質(zhì)量單位的實物基準，即希望用某種量子計量基準來代替尚在使用的鉑銥合金千克砝碼實物基準。此實物基準是19世紀制成的,當時估計其準確度為10-9量級,在19世紀的各種計量基準中首屈一指。可惜的是其后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少因素（表面氧化、吸附雜質(zhì)等）會使其保存的質(zhì)量量值不斷發(fā)生變化。該砝碼質(zhì)量的增加量可能已達到了十多微克(1×10-8以上)。為建立質(zhì)量單位量子基準，目前，正在進行的有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)與量子基準的建立2.7、基本物理常數(shù)和質(zhì)量的量子基準23第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四這種方法原理是是把硅原子質(zhì)的質(zhì)量作為基本標準，通過對單晶硅晶體中原子計數(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,準確度還只達到10-8量級,尚未能直接取代鉑銥合金砝碼。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.7.1、質(zhì)量的量子基準之硅球法24第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四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。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,因此也是一種量子質(zhì)量基準。通過電壓的量子基準和電阻的量子基準利用普朗克常數(shù)導(dǎo)出質(zhì)量標準。Mgv=p=v2/RH=n2ihν2盡管這種方案構(gòu)思十分巧妙,但稍嫌復(fù)雜,目前的準確度也只能達到10-8量級。2.7.2、質(zhì)量的量子基準之瓦特天平法二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立25第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四當天平兩端的重力mg和洛倫茲力F達到平衡時二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立26第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四這種方案是把金的離子射線收集起來得到質(zhì)量標準，射線中的金離子個數(shù)通過測量金離子對應(yīng)的電流來確定。該方法是測定197Au單原子質(zhì)量,然后利用原子個數(shù)定義千克基準。具體方法為:一個Au

粒子發(fā)射源發(fā)射金粒子到一個收集器內(nèi),然后通過比較器對收集到的一定數(shù)量粒子質(zhì)量。同時精確測定收集金粒子時的電量Q。Q與基本電荷e之比就是在收集期間通過的金粒子的數(shù)量。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.7.3、質(zhì)量的量子基準之金粒子法27第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立28第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四在熱學(xué)方面,已實現(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,比原有的水三相點定義有了很大提高。為建立“開爾文”的量子基準,將一個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式：p=v2/RH=n2ihν2/4

(w)再根據(jù)近來Storm等人的實驗,得出量子化霍爾電阻上的噪聲功率為:p1=mKνT(w);m=1,2,3,…其中K為玻耳茲曼常數(shù),ν

為電磁波頻率,而m為量子數(shù)。如使p=p1,則：T=n2ihν/(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ν導(dǎo)出

。這樣,便成了“開爾文”的量子基準。二、基本物理常數(shù)與量子基準的建立2.8、基本物理常數(shù)和熱學(xué)單位的量子基準29第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期四“摩爾”與質(zhì)量單位“千克”密切相關(guān)。由于當系統(tǒng)物質(zhì)的量為l摩爾時,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”基準的建立是通過確定阿伏加德羅常數(shù)值來完成得。目前認為硅單晶是用以確定阿伏加德羅常數(shù)值的最合適物質(zhì)。如設(shè)摩爾質(zhì)量為Msi，硅單晶同位素組合平均原子質(zhì)