淺談質量單位千克

黃愛軍HUANG Ai-jun；趙明澤ZHAO Ming-ze

（①天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192；②天津市津南區計量檢定所，天津 300192）

（①Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing，Tianjin 300192，China；②Tianjin Jinnan District Metrological Verification Institution，Tianjin 300192，China）

0 引言

計量基本單位是農業、工業、制造業、科技產業等發展的基礎，其產生和發展都必須在保證基本單位統一性和準確性的前提下進行。同時，計量單位還隨著物理量和化學量的發展變化而做出相應調整和更新。國際計量單位制是在宏觀量的基礎上提出和制定的，符合其基本單位原始思想，在其指定范圍內具有科學性和穩定性，不會隨著時間和地點等外部條件的變化而變化。質量是物體最重要的屬性之一，無論在科學研究還是在人們生活中，物體的質量都是極其受到關注的。當把物體的質量作為一個量來表示的時候，需要由一個數值和計量單位組合表示。一個物體的質量當使用不同的計量單位表示時，其數值的大小是不同的，只有在使用相同計量單位表示時，較大的數值才能表示較大的物體質量，也就是說物體質量的表示必須在數值后注明其對應的計量單位名稱，否則僅僅一個數值無法代表其具體的數量含義。

目前，質量單位千克是國際單位制中最常見的七個基本單位之一，也是唯一一個采用實物復現的方式來表示其屬性的單位。近幾十年來，各國科學工作人員紛紛應用最先進的研究理論和方法，對其展開相關研究，并采用先進測量手段進行科學實驗，成果顯著。受各國發展情況和歷史國情等方面條件的影響和制約，各國在日常生活和貿易中仍存在計量單位不一致的情況，這就給各國的交流與發展帶來了極大的不便。因此，國際組織通過統一限定的方式制定了國際單位制，并嚴格定義和區別了各類單位。

我國在國際單位制的基礎上，依據我國現階段國情制定了我國的法定計量單位制度。在國際單位制中千克是表示質量的基本單位，它的符號是kg，千克還有一個同義詞就是我們日常用的公斤，它等于國際千克原器的質量。有一點值得注意，千克作為質量基本單位其中的千不是詞頭（倍數關系），而要把千克作為一個整體對待，恰恰克是一個分數單位用來表示千克的千分之一。

1 “千克”的產生發展歷史

千克作為質量的單位有很長的歷史，遠早于國際單位制的確立。最初質量單位千克是由長度單位米導出的，即在4℃標準大氣壓下1 立方分米的純水的質量為1 千克。1799年根據這個定義用鉑作了一個圓柱體砝碼作為質量單位基準保存在法國檔案局，稱為檔案局千克。以后因為根據理論定義復現千克有許多困難，確定1 立方分米的純水過程中存在許多不確定因素，為此決定放棄質量單位的理論定義采用檔案局千克作為質量單位基準使用。

米制公約組織成立后，建立的國際計量局用鉑銥合金仿照檔案局千克制成一批千克原器。這些千克原器是由90%的鉑和10%的銥組成的鉑銥合金制成的，各自純度為99.99%，而且它們是在真空中冶煉成后又經精心鍛造，故它們的基體密度很大，合金內部物質變化和氣體釋放所引起的質量變化很微小，可以忽略不計。由于這種合金中加入了一定數量的銥，其硬度大大提高而且耐磨。為減少由于磨損或其他物質吸附而引起的質量變化，在制造千克原器時，要盡可能地減少其表面積，以保證其測量結果的精確度。考慮到使用球體作為原器形狀，在加工、校準以及使用過程中的諸多不便，設計者便選擇正圓柱體作為其基本形狀，并在設計過程中將其高度和直徑都設置為39mm，將其棱邊略微修圓。在第一屆國際計量大會選了最接近檔案局千克的一個千克原器作為質量的國際單位——千克，即國際千克原器，余下的大部分分發給有關國家作為該國的千克原器。我國于1965年引進了國際計量局編號為60號和61 號的兩個千克原器，并把61 號千克原器作為國家質量基準。

目前，除質量以外，其他基本量均已建立起統一的自然基準，并隨著其發展做出適當調整。而質量單位的定義仍局限在國際千克原器上，使得各國無法單獨復現千克，同時國際千克原器的量值也難以達到固定不變。長期以來人們在尋求用某種自然規律或物質特性重新定義質量單位，建立自然基準。

在1960年第十一屆國際計量大會命名的國際單位制中，千克是七個基本單位之一，用來表示質量。隨著我國的法定計量單位的推行，千克的使用日漸頻繁，深入地了解千克、正確地理解和使用千克對于人們對物體的質量有較全面的認識大有裨益，對于保證質量量值的統一、準確、一致的作用越來越大。

2 千克的定義是國際千克原器的質量

首先，一立方分米純水在4℃的質量并不是絕對的，在不同的大氣壓下，純度不同的水質量是不一樣的。其中的誤差很可能比千克原器的誤差還大。其次，取體積時要用到長度單位，質量作為最基本的單位，不應該太依賴于長度的定義。取溫度時涉及溫標的問題，要知道，不同介質的溫度計定義的4℃是不同的。再次，取什么樣的作為標準很可能還是一個政治問題，法國作為當時的歐洲科技中心，有著制定標準的權利，這對樹立其科技地位有很大作用，不然大家就不會朝圣一樣去巴黎計量局對原器了。法國巴黎國際度量局中的千克原器是用鉑銥合金制成的，它的密度是36 乘10 的3 次方kg/m^3，是用鉑銥合金（其中含鉑90%，含銥10%）制成的一個高度和直徑都是39 毫米的圓柱體。最后，國際上的確有意向廢除原器，采用離散的分子質量，如同秒的定義一樣。物理是科學，不依賴于具體的標準，而在于其推導的嚴密性，只要有明確的定義就行。這樣千克原器質量多少物理上不過是個定義問題罷了，只有工科的才對這個這個標準比較看重，制定標準不過是方便科研而已。

3 結束語

隨著我國科研水平的不斷提高，我國越來越重視對計量科學的研究，對質量單位的研究也隨之增多。因此，正確理解質量單位的定義和內涵，了解和掌握其產生發展歷史，對研究質量單位具有極大意義。本文以質量單位中最常見的單位——千克為例，系統地研究和分析了其產生發展過程，并對其未來發展做了一定預測。

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