基本物理常数和量子基准的建立课件

1、基本物理常数和量子基准的建立组员：张光明、葛慎、张文琦、谈红伟课程：现代计量学日期：2013年6月04日目 录一、计量基准的变迁二、基本物理常数与量子基准的建立一、计量基准的变迁1.1、计量基准起源自人类社会建立以来，物质交换活动就一直在进行。为了把客观世界的特性用数量表达，就需要进行测量，测量过程实质上是一种比较的过程。要进行比较，当然要有一个特定的比较对象，而这个特定比较对象即是所谓计量基准。在长期的探索过程中，人类社会中出现各式各样的计量基准。针对这些计量基准的不同特性（时间、长度等），物质的量化也就有了不同的单位（秒、米）来对其进行描述。实际上计量基准即是用于保存和复现这些基本单位的装

2、置。为了保证计量的准确性和可靠性，统一计量单位和计量标准是必要的。1一、计量基准的变迁1.2、计量基准建立的发展秦始皇首次统一中国的计量标准(统一度量衡) 是历史上我国对计量事业的重要贡献。18 世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展，首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制米制, 确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。目前国际上一致公认的国际单位制SI。其中规定了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔7 个基本单位，其他各种单位则由这7 个基本单位导出。2一、计量基准的变迁1.3、国际单位制7个基本单位3 20 世纪50 年代以前, 计量基准的量值一般是由实物基准所保存及复现的。这

3、种实物基准一般是根据经典物理学的原理, 用某种特别稳定的实物来实现, 而且总是用工业界所能提供的最好的材料及工艺制成, 以保证其稳定性。千克砝码原器就是用铂铱合金制成的一个圆柱体。X 型铂铱合金米尺两条刻线间距定义为长度单位米。电学实物基准是保存在国际计量局的饱和式韦斯顿标准电池组。一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位。 一、计量基准的变迁1.4计量基准的实物标准4随着科技及工农业的发展, 这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出下列的不足之处:实物基准一旦制成后, 总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化, 因而它所保存的量值也会有所改变。最高等级的实物计量基准全世界只

4、有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之中断。量值传递检定系统庞大繁杂, 从最高等级的实物基准到具体应用场所, 量值要经过多次传递, 准确度也必然会有所下降。一、计量基准的变迁1.5、实物基准的不足之处5 从20 世纪初开始，人们对光辐射以及原子、分子等微观粒子的运动规律进行了一系列的研究。普朗克在1900年提出了能量子假说（基于黑体辐射）,给出了著名的普朗克公式0=h.爱因斯坦随后提出光量子假说（基于电磁辐射）。德布罗意进一步提出像分子、原子、电子这样的实物微粒也具有波粒二象性。海森伯提出关于微观粒子波动和离子之间不确

5、定关系式Eth/2。一、计量基准的变迁1.6、量子基准的建立6 这一些列的研究推动了计量基准的建立由宏观层面转向微观层面。量子基准的特点是即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化, 也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程，微观粒子量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生，因而使计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。于是，一系列基于量子跃迁现象的量子基准得以建立。第一个付诸实用的量子计量基准是1960 年国际计量大会通过采用的Kr-86光波长度基准。第二个量子计量基准, 也是最著名和最成功的一种量子计量基准, 是1967 年在国际上正式启用的铯原子钟。一、计量基准的变迁7

6、 基本物理常数：是物理领域的一些普适常数，主要是指原子物理学中常用的一些常数。它们不随时间、地点或环境条件的影响而变化。最基本的有真空中光速,普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量me和阿伏伽德罗常数NA等。基本物理常数共有30多个，加上其组合量则有4050个，它们之间有着深刻的联系，并不是彼此独立的。二、基本物理常数与量子基准的建立2.1、基本物理常数8上述根据某种微粒子量子跃迁现象而得出的量子基准还有其局限性，主要反映在它依赖于某一种原子的特定量子跃迁过程，如果后来又发现了别的更准确的量子跃迁过程，就会出现修改单位定义的问题， 因此从上世纪八十年代起，人们又不断探讨另一种更好的方法，即用基

7、本物理常数来作为计量基准的方法。这种定义的特点表现在, 今后随着实验技术的提高，计量单位的准确度可不断改进而无需改动其定义。例：国际计量委员会于1982 年决定把长度单位米的定义改为“ 米是光在真空中1/299 792 458 秒时间间隔内所行进的路程的长度”。二、基本物理常数与量子基准的建立2.2、基本物理常数作为计量基准9与量子基准建立有关的基本物理常数有：真空中光速普朗克常数h基本电荷e玻耳兹曼常量k阿伏伽德罗常数NA二、基本物理常数与量子基准的建立2.3、量子基准建立有关的基本物理常数10以上基本物理常数的产生也说明了基本物理常数与物理学的发展密切相关，一些重大物理现象的发现和物理新理

8、论的创立，均与基本物理常数有密切联系。例如,电子的发现是通过对电子荷质比(e/m)的测定而确定的。普朗克建立量子论的同时,提出了普朗克常数。光速是四个准确的基本常数之一,它也是狭义相对论成立的基础。二、基本物理常数与量子基准的建立11由于基本常数领域中工作的不断进展，常数数值也会不断更新。为了在全球使用同一标准，1966年国际科协联合会成立了科学技术数据委员会(the Committee on Data for Science and Technology,简称CODATA)。CODATA于1969年设立了基本常数任务组，其任务是定期提供基本常数值。CODATA 在1973年、1986年两次推

9、荐了基本常数值,后者的精度比前者平均约提高了一个数量级。自1998年开始，CODATA 每四年提供一次最新的基本常数值，即1998年、2002年、2006年先后三次推出了最新基本常数。二、基本物理常数与量子基准的建立2.3、基本物理常数的统一和修正12二、基本物理常数与量子基准的建立13在常数的数据处理中，多年来国际上一直采用最小二乘法平差来得出常数的一组最佳值。用这种方法可尽量减少常数最佳值的偶然误差，但并不能消除测量中的系统误差。近年来，根据天文和地球物理的观测资料，一些物理学家提出了基本物理常数可能随时间变化的理论推测。这些推测可能有助于推动物理学家和计量学家去对基本物理常数进行更精密的

10、实验测量。但迄今为止，上述理论推测的论点还是不充分的，实验上也没有能够证实基本物理常数有随时间的变化。二、基本物理常数与量子基准的建立14频率量是当今人类所有测量中最准确计量的物理量,不确定度已达到10-15 量级，甚至向更小的量级发展。根据这一点, 如以频率为主单位, 再配以一定的基本物理常数, 即可构成新的单位制体系, 这是以基本物理常数为基础的直接利用量子效应来建立计量基准的思想基础。 时间频率量子基准基于的原理是：由于铯-133 的能级十分稳定，利用铯-133 原子基态两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 192 631 770 个周期的持续时间。其特点是高度的可靠性和可复制性。二、基

11、本物理常数与量子基准的建立2.4 、基本物理常数和时间量子基准152.5、基本物理常数和长度单位的量子基准长度单位米的计量基准随着计量科学技术的发展，经历了由实物基准氪-86光波长度基准（米的第一代量子基准）与基本物理常数相联系的633nm氦氖激光波长基准（米的第二代量子基准）的变革过程。 第二代量子基准“ 米” 的定义方程是利用光波长入与光速C 之间的关系式: C =f:.= Cf -1其中f 为待测的某一特定单色光频率。用实验由激光的频率来导出其波长值, 从而进一步定义长度单位。这种定义的特点表现在, 今后随着实验技术的提高, 米单位的准确度可不断改进而无需改动米的定义。二、基本物理常数与

12、量子基准的建立161988年国际计量委员会建议，从1990年1月1日起在全世界范围内启用约瑟夫森电压标准和量子化霍尔电阻标准以代替原来的由标准电池和标准电阻维持的实物基准，并且给出了这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常数和冯.克里青常数的国际推荐值。约瑟夫森常数冯.克里青常数二、基本物理常数与量子基准的建立2.6、基本物理常数和电学量的量子基准171、用交流约瑟夫森效应来建立电压基准“ 伏特 2eV=nh V=n(h/2e) n=1，2，3， (1) n 是一个正整数2、用量子霍尔效应来建立电阻基准“欧姆” RH=h/(ie2) i=1，2，3， (2) i 是一个正整数 以上量子基准的建立等效于

13、用普朗克常数h和基本电荷e这两个基本物理常数结合频率标准导出电压单位和电阻单位。二、基本物理常数与量子基准的建立2.6.1、电压和电阻的量子基准1820世纪50年代有人提出可以对加速器中的电子流进行直接计数而实现基于电子的电荷量这一基本物理常数以及频率量的电流量子基准。到了90年代，这一想法已有可能通过另一途径实现，这就是当前国际上的研究热点单电隧道效应。充有电荷Q的电容器C储能为二、基本物理常数与量子基准的建立2.6.2、电流的量子基准19如果控制好电容器两边的位垒大小，使得电子总是从这一边流入而从另一边流出，就可形成单向的电流，其中的电子可以一个一个地计数。如电子进出电容器的频率为，电子的

14、电荷量为e，则相应的电流表达式为I=e这样就可实现基于电子电荷量这一基本物理常数以及频率量的量子电流基准。此量子基准的建立同样可以用基本电荷e这个基本物理常数结合频率标准导出电流单位。二、基本物理常数与量子基准的建立20但是，电流基准的建立依然存在困难：1、电容器的电极必须做得非常小。目前用微电子刻蚀法做出的电极的线度在几十纳米量级。2、要求电容器所处的环境温度很低。实验表明只有当达到几mK这样的深低温时才能观察到明显的单电子隧道效应。3、要求频率很高。采用常用的高频信号耦合技术时，只能达到MHz量级，此时相应的电流只有pA量级。频率再高时由于线路寄生参数的影响，电路不能正常工作。而当前能够精

15、密测量的小电流至少需达到A量级，两者相差了六个数量级。二、基本物理常数与量子基准的建立21在电压量子基准和电阻量子基准建立之后，电功率的量子基准就可以导出。电功率的量子基准, 可设想在量子化霍尔电阻RH=h/(ie2)上加一约瑟夫逊直流电压V=n(h/2e) 则得其电功率为:p=v2/RH=n2ih2 /4此量子基准的建立同样可以用普朗克常量h这个基本物理常数结合频率标准导出电流单位。因而，与功率有关的量子基准可以通过此公式导出。2.6.3、电功率的量子基准二、基本物理常数与量子基准的建立22目前, 各国的计量研究院正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒 质量单位的实物基准，即希望用某种量子计量基

16、准来代替尚在使用的铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是19世纪制成的, 当时估计其准确度为10-9量级, 在19世纪的各种计量基准中首屈一指。可惜的是其后陆续发现了不少因素（表面氧化、吸附杂质等）会使其保存的质量量值不断发生变化。该砝码质量的增加量可能已达到了十多微克( 110-8以上)。为建立质量单位量子基准，目前，正在进行的有3种方案。1、硅球法2、瓦特天平法3、金粒子法二、基本物理常数与量子基准的建立2.7、基本物理常数和质量的量子基准23这种方法原理是是把硅原子质的质量作为基本标准，通过对单晶硅晶体中原子计数，利用阿伏伽德罗常数过渡到宏观质量。但是，这一方案虽经多年探索, 准确度还只

17、达到10-8量级, 尚未能直接取代铂铱合金砝码。二、基本物理常数与量子基准的建立2.7.1、质量的量子基准之硅球法24 这种方法是通过电功率天平把电功率与力学功率联系起来。在一架精密天平上一边挂上一个通以电流的线圈, 并用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准。天平的另一边用砝码平衡, 再经过速度及重力导出质量量值。这样就把质量的量值溯源到了量子电学基准, 因此也是一种量子质量基准。通过电压的量子基准和电阻的量子基准利用普朗克常数导出质量标准。Mgv=p=v2/RH=n2ih2尽管这种方案构思十分巧妙, 但稍嫌复杂, 目前的准确度也只能达到10-8量级。2.7.2、质量的量子基准之瓦特

18、天平法二、基本物理常数与量子基准的建立25当天平两端的重力mg和洛伦兹力F达到平衡时二、基本物理常数与量子基准的建立26这种方案是把金的离子射线收集起来得到质量标准，射线中的金离子个数通过测量金离子对应的电流来确定。该方法是测定197Au单原子质量, 然后利用原子个数定义千克基准。具体方法为: 一个Au 粒子发射源发射金粒子到一个收集器内, 然后通过比较器对收集到的一定数量粒子质量。同时精确测定收集金粒子时的电量Q。Q与基本电荷e之比就是在收集期间通过的金粒子的数量。二、基本物理常数与量子基准的建立2.7.3、质量的量子基准之金粒子法27二、基本物理常数与量子基准的建立28在热学方面,已实现用

19、声速法用波尔兹曼常数k 复现温度单位开尔文, 比原有的水三相点定义有了很大提高。为建立“ 开尔文” 的量子基准, 将一个约瑟夫逊直流电压加于量子化霍尔电阻上, 则得其电功率的表达式：p=v2/RH=n2ih2 /4 (w)再根据近来Storm 等人的实验, 得出量子化霍尔电阻上的噪声功率为:p1=mKT(w); m=1, 2 , 3, 其中K 为玻耳兹曼常数, 为电磁波频率, 而m 为量子数。如使p=p1 ,则：T=n2ih / (4mK) (k) 由此可见, 热力学温度的单位量值开尔文可以通过基本物理常数h和K结合频率导出 。这样, 便成了“开尔文” 的量子基准。二、基本物理常数与量子基准的建立2.8、基本物理常数和热学单位的量子基准29“ 摩尔” 与质量单位“ 千克” 密切相关。由于当系统物质的量为l摩尔时, 其中所含的基本单元数刚好为阿伏加德罗常数NA , 所以“摩尔”基准的建立是通过确定阿伏加德罗常数值来完成得。目前认为硅