「公斤」將重新定義!秘密就藏在這顆矽晶球裡

國際計量單位「公斤」重新定義,工研院宣布率先投入矽晶球質量新標準。

從我們還在小學的時候課本就有教過,1 公斤等於 1 千公克,但 1 千公克有多「重」,又是怎麼定義的呢?自法國大革命以來,法國成為世界上第一個使用十進位量度系統「公制」的國家,1875 年後改由國際度量衡大會(Conférence générale des poids et mesures,CGPM)管理並推廣到全球。1899 年國際度量衡大會一聲令下,將國際公斤原器(International Prototype of the Kilogram,IPK)視為質量的基本單位,從此 1 公斤就是以這塊 90% 鉑及 10% 銥組成的合金圓柱體定義。

現行的國際單位制包含時間(秒,second)、長度(公尺,metre)、質量(公斤,kilogram)、電流(安培,ampere)、絕對溫度(克耳文,Kelvin)、物量(莫耳,mole)和光度(燭光,candela)等七大基本單位,此制度從 1948 年開始建立,於 1960 年正式公布為國際單位制(Système international d’unités,簡稱 SI),隨後也成為國際標準的公制系統。

質量單位重新定義,為什麼?

除了質量單位以外,其他度量衡標準單位,都已根據固有自然常數而重新定義。原本長度單位「公尺」在 1983 年以前也是用一根金屬棒代表,但後來重新定義為光在真空中運行 1/299,792,458 秒的距離。

以實物(國際公斤原器,IPK)定義質量單位標準的風險在於,若是 IPK 的質量產生些微變化,那麼 1 公斤的標準也會隨之改變。IPK 與六個複製品都存放在國際度量衡局(BIPM)巴黎總部下層的儲藏室內,受到嚴密監控,每隔約 50 年就要互相比對一次。然而,即便 IPK 被仔細保存呵護,每次秤重前也必先以酒精和乙醚擦拭,並經過蒸氣清潔,但其重量和其他複製品相比卻持續相對減輕,至 2011 年為止可能已減輕達 50 微克。

雖然差異看似極小,但在半導體或生技醫療等高端產業,牽一髮就會動全身並引發各種問題,隨著科技越加講求精密,這些誤差是不被允許的。此外,一個不斷變動的公斤單位,也會導致量測其他現象時不夠精準,像是壓力、能量等。於是到了 2011 年,國際度量衡大會全體一致贊成,改以一個物理常數來重新定義公斤,不再以實體器具為標準,屆時國際公斤原器 IPK 將走入歷史。

矽晶球大法好,為實現普朗克常數定義公斤的方式之一

順應這個趨勢,國際度量衡委員會(CIPM)隨即啟動重新定義質量的研究,決定採用更穩定的量子力學常數──普朗克常數(h)來重新定義「公斤」,確保量測技術的穩定性。普朗克常數是一個物理常數,用來描述物理作用量之大小,在量子力學領域占關鍵角色。普朗克常數用以描述光子能量與頻率之間的關係,以及基本粒子物質波波長與動量間之關係。實現普朗克常數所定義公斤的方式有兩種,一種為瓦特天平法(watt balance),2016 年則正式改名為「基布爾天平(Kibble balance)」;另一種則為 X 光晶體密度法(XRCD method),就是矽晶球法,也是目前物量單位(莫耳,mole)最準確的實現方法。

矽晶球法透過計數矽晶球中矽原子數量的方式來實現新公斤定義。取自自然界的矽經過純化、長晶、切割、研磨與拋光多道程序,製造出矽 28 同位素純度超過 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實驗數值(此數值與普朗克常數聯結),來算出矽晶球的質量。

德製高純度矽晶球,協助台灣產業加速升級

為維持國家最高計量標準,並滿足科技、產業、民生及安全等量測儀器的追溯校正需求,台灣曾在 1995 年向國際度量衡局購買編號第 78 號「鉑銥公斤原器」,保存在工研院的「國家度量衡標準實驗室」,每十年還要送回去追溯一次,並將標準傳遞至國內二級實驗室的標準砝碼,最終普及至業界的質量量測儀器。如今,隨著質量單位「公斤」重新定義,工研院率先訂製了德國聯邦物理技術研究院製作的高純度矽晶球。此矽晶球目前只生產四顆,一顆售價 100 萬歐元(約新台幣 3,500 萬元),台灣是全球第一個購買的國家,這也是全球第二顆(第一顆在德國本土)。

2018 年 11 月展開的第 26 屆國際度量衡大會,預計通過國際計量單位重新定義,並於 2019 年 5 月 20 日起正式實施,使國際有共同一致標準。工研院表示,德製矽晶球日後成為原級質量標準後,原先為質量最高標準的 78 號鉑銥公斤原器,將降為二級標準,以確保公斤數值的穩定性,使台灣的質量標準與世界各國一致。標準檢驗局也將強力支持工研院積極進行新公斤質量量測系統建置,希望掌握精密的量測數據,藉此協助推動高科技產業進展。

(本文經科技新報授權轉載《工研院引入最新矽晶球法,飄忽不定的質量單位「公斤」終能精準量測》

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