资源描述
Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,LOGO,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title,Click to edit Master text,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,基本物理常数和量子基准建立,组员：张光明、葛慎、张文琦、谈红伟,课程：当代计量学,日期：2,013,年,6,月,04,日,第1页,目 录,一、计量基准变迁,二、,基本物理常数与量子基准建立,第2页,一、,计量基准变迁,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。为了把客观世界特征用数量表示，就需要进行测量，测量过程实质上是一个比较过程。要进行比较，当然要有一个特定比较对象，而这个特定比较对象即是所谓计量基准。,在长久探索过程中，人类社会中出现各式各样计量基准。针对这些计量基准不一样特征（时间、长度等），物质量化也就有了不一样单位（秒、米）来对其进行描述。实际上计量基准即是用于保留和复现这些基本单位装置。为了确保计量准确性和可靠性，统一计量单位和计量标准是必要。,1,第3页,一、,计量基准变迁,1.2,、计量基准建立发展,秦始皇首次统一中国计量标准,(,统一度量衡,),是历史上我国对计量事业主要贡献。,18,世纪以后因为世界性工业革命以及国际贸易发展，首先在欧洲形成了一个国际性计量单位制,米制,确定了以米、千克、秒为最基本计量单位。,当前国际上一致公认国际单位制,SI,。其中要求了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔,7,个基本单位，其它各种单位则由这,7,个基本单位导出。,2,第4页,一、,计量基准变迁,1.3,、国际单位制,7,个基本单位,3,第5页,20,世纪,50,年代以前,计量基准量值普通是由实物基准所保留及复现。这种实物基准普通是依据经典物理学原理,用某种尤其稳定实物来实现,而且总是用工业界所能提供最好材料及工艺制成,以确保其稳定性。,千克砝码原器就是用铂铱合金制成一个圆柱体。,X,型铂铱合金米尺两条刻线间距定义为长度单位米。,电学实物基准是保留在国际计量局饱和式韦斯顿标准电池组。,一组标准电阻线圈电阻平均值保持电阻单位。,一、,计量基准变迁,1.,4,计量基准实物标准,4,第6页,伴随科技及工农业发展,这么传统计量量值传递检定系统开始反应出以下不足之处,:,实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制物理、化学过程使它特征发生迟缓改变,因而它所保留量值也会有所改变。,最高等级实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦因为天灾、战争或其它原因发生意外损坏，无法完全一模一样地复制出来，原来连续保留单位量值也会因之中止。,量值传递检定系统庞大繁杂,从最高等级实物基准到详细应用场所,量值要经过屡次传递,准确度也必定会有所下降。,一、,计量基准变迁,1.5,、实物基准不足之处,5,第7页,从,20,世纪初开始，人们对光辐射以及原子、分子等微观粒子运动规律进行了一系列研究。,普朗克在,1900,年提出了能量子假说（基于黑体辐射）,给出了著名普朗克公式,0,=h,.,爱因斯坦随即提出光量子假说（基于电磁辐射）。,德布罗意深入提出像分子、原子、电子这么实物微粒也含有波粒二象性。,海森伯提出关于微观粒子波动和离子之间不确定关系式,E,t,h/2,。,一、,计量基准变迁,1.6,、量子基准建立,6,第8页,这一些列研究推进了计量基准建立由宏观层面转向微观层面。量子基准特点是即使物体宏观参数随时间发生了迟缓改变,也不会影响物体中微观粒子量子跃迁过程，微观粒子量子跃迁现象能够在任何时间、任何地点用原理相同装置重复产生，因而使计量基准稳定性和准确度能够到达空前高度。于是，一系列基于量子跃迁现象量子基准得以建立。,第一个付诸实用量子计量基准是,1960,年国际计量大会经过采取,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一个量子计量基准,是,1967,年在国际上正式启用铯原子钟。,一、,计量基准变迁,7,第9页,基本物理常数：是物理领域一些普适常数，主要是指原子物理学中惯用一些常数。它们不随时间、地点或环境条件影响而改变。最基本有真空中光速,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,40,50,个，它们之间有着深刻联络，并不是彼此独立。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.1,、基本物理常数,8,第10页,上述依据某种微粒子量子跃迁现象而得出量子基准还有其不足，主要反应在它依赖于某一个原子特定量子跃迁过程，假如以后又发觉了别更准确量子跃迁过程，就会出现修改单位定义问题，,所以从上世纪八十年代起，人们又不停探讨另一个更加好方法，即用基本物理常数来作为计量基准方法。这种定义特点表现在,今后伴随试验技术提升，计量单位准确度可不停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定义改为“米是光在真空中,1/299 792 458,秒时间间隔内所行进旅程长度”。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.2,、基本物理常数作为计量基准,9,第11页,与量子基准建立相关基本物理常数有：,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,N,A,二、基本物理常数与量子基准建立,2.3,、量子基准建立相关基本物理常数,1,0,第12页,以上基本物理常数产生也说明了基本物理常数与物理学发展亲密相关，一些重大物理现象发觉和物理新理论创建，均与基本物理常数有亲密联络。比如,电子发觉是经过对电子荷质比,(e/m),测定而确定。普朗克建立量子论同时,提出了普朗克常数。光速是四个准确基本常数之一,它也是狭义相对论成立基础。,二、基本物理常数与量子基准建立,1,1,第13页,因为基本常数领域中工作不停进展，常数数值也会不停更新。,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,年设置了基本常数任务组，其任务是定时提供基本常数值。,CODATA,在,1973,年、,1986,年两次推荐了基本常数值,后者精度比前者平均约提升了一个数量级。自,1998,年开始，,CODATA,每四年提供一次最新基本常数值，即,1998,年、,年、,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建立,2.3,、基本物理常数统一和修正,1,2,第14页,二、基本物理常数与量子基准建立,1,3,第15页,在常数数据处理中，多年来国际上一直采取最小二乘法平差来得出常数一组最正确值。用这种方法可尽可能降低常数最正确值偶然误差，但并不能消除测量中系统误差。,近年来，依据天文和地球物理观察资料，一些物理学家提出了基本物理常数可能随时间改变理论推测。这些推测可能有利于推进物理学家和计量学家去对基本物理常数进行更精密试验测量。但迄今为止，上述理论推测论点还是不充分，试验上也没有能够证实基本物理常数有随时间改变。,二、基本物理常数与量子基准建立,1,4,第16页,频率量是当今人类全部测量中最准确计量物理量,不确定度已到达,10,-15,量级，甚至向更小量级发展。依据这一点,如以频率为主单位,再配以一定基本物理常数,即可组成新单位制体系,这是以基本物理常数为基础直接利用量子效应来建立计量基准思想基础。,时间频率量子基准基于原理是：因为铯-133 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辐射,9 192 631 770,个周期连续时间。其特点是高度可靠性和可复制性。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.4,、基本物理常数和时间量子基准,1,5,第17页,2.,5,、基本物理常数和长度单位量子基准,长度单位米计量基准伴随计量科学技术发展，经历了由实物基准,氪,-86,光波长度基准（米第一代量子基准）,与基本物理常数相联络,633nm,氦氖激光波长基准（米第二代量子基准）变革过程。,第二代量子基准“米”定义方程是利用光波长入与光速,C,之间关系式,:,C=,f,:.,=Cf,-1,其中,f,为待测某一特定单色光频率。,用试验由激光频率来导出其波长值,从而深入定义长度单位。这种定义特点表现在,今后伴随试验技术提升,米单位准确度可不停改进而无需改动米定义。,二、基本物理常数与量子基准建立,1,6,第18页,1988,年国际计量委员会提议，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由标准电池和标准电阻维持实物基准，而且给出了这两种新标准中所包括约瑟夫森常数和冯,.,克里青常数国际推荐值。,约瑟夫森常数,冯,.,克里青常数,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,6,、基本物理常数和电学量量子基准,1,7,第19页,1,、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/(ie,2,)i=,1,，,2,，,3,，,(2,),i,是一个正整数,以上量子基准建立等效于用普朗克常数,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建立,2.,6.1,、电压和电阻量子基准,1,8,第20页,20,世纪,50,年代有些人提出能够对加速器中电子流进行直接计数而实现基于电子电荷量这一基本物理常数以及频率量电流量子基准。,到了,90,年代，这一想法已经有可能经过另一路径实现，这就是当前国际上研究热点,单电隧道效应。,充有电荷,Q,电容器,C,储能为,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,6.2,、电流量子基准,1,9,第21页,假如控制好电容器两边位垒大小，使得电子总是从这一边流入而从另一边流出，就可形成单向电流，其中电子能够一个一个地计数。如电子进出电容器频率为,，电子电荷量为,e,，则对应电流表示式为,I=e,这么就可实现基于电子电荷量这一基本物理常数以及频率量量子电流基准。,此量子基准建立一样能够用基本电荷,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建立,20,第22页,不过，电流基准建立依然存在困难：,1,、电容器电极必须做得非常小。当前用微电子刻蚀法做出电极线度在几十纳米量级。,2,、要求电容器所处环境温度很低。试验表明只有当到达几,mK,这么深低温时才能观察到显著单电子隧道效应。,3,、要求频率很高。采取惯用高频信号耦合技术时，只能到达,MHz,量级，此时对应电流只有,pA,量级。频率再高时因为线路寄生参数影响，电路不能正常工作。而当前能够精密测量小电流最少需到达,A,量级，二者相差了六个数量级。,二、基本物理常数与量子基准建立,21,第23页,在电压量子基准和电阻量子基准建立之后，电功率量子基准就能够导出。,电功率量子基准,可构想在量子化霍尔电阻,R,H,=h/(ie,2,),上加一约瑟夫逊直流电压,V=n(h/2e),则得其电功率为,:,p=v,2,/R,H,=n,2,ih,2,/4,此量子基准建立一样能够用普朗克常量,h,这个基本物理常数结合频率标准导出电流单位。,因而，与功率相关量子基准能够经过此公式导出。,2.,6.3,、电功率量子基准,二、基本物理常数与量子基准建立,22,第24页,当前,各国计量研究院正在努力攻克经典计量学中顽固堡垒,质量单位实物基准，即希望用某种量子计量基准来代替尚在使用铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是,19,世纪制成,当初预计其准确度为,10,-9,量级,在,19,世纪各种计量基准中首屈一指。可惜是其后陆续发觉了不少原因（表面氧化、吸附杂质等）会使其保留质量量值不停发生改变。该砝码质量增加量可能已到达了十多微克,(110,-8,以上,),。,为建立质量单位量子基准，当前，正在进行有,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建立,2.,7,、基本物理常数和质量量子基准,23,第25页,这种方法原理是是把硅原子质质量作为基本标准，经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。,不过，这一方案虽经多年探索,准确度还只到达,10,-8,量级,还未能直接取代铂铱合金砝码。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,7.1,、质量量子基准之硅球法,24,第26页,这种方法是经过电功率天平把电功率与力学功率联络起来。在一架精密天平上一边挂上一个通以电流线圈,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。天平另一边用砝码平衡,再经过速度及重力导出质量量值。这么就把质量量值溯源到了量子电学基准,所以也是一个量子质量基准。经过电压量子基准和电阻量子基准利用,普朗克常数,导出质量标准。,Mgv=,p=v,2,/R,H,=n,2,ih,2,尽管这种方案构思十分巧妙,但稍嫌复杂,当前准确度也只能到达,10,-8,量级。,2.,7.2,、质量量子基准之瓦特天平法,二、基本物理常数与量子基准建立,25,第27页,当日平两端重力,mg,和洛伦兹力,F,到达平衡时,二、基本物理常数与量子基准建立,26,第28页,这种方案是把金离子射线搜集起来得到质量标准，射线中金离子个数经过测量金离子对应电流来确定。,该方法是测定,197,Au,单原子质量,然后利用原子个数定义千克基准。,详细方法为,:,一个,Au,粒子发射源发射金粒子到一个搜集器内,然后经过比较器对搜集到一定数量粒子质量。同时准确测定搜集金粒子时电量,Q,。,Q,与基本电荷,e,之比就是在搜集期间经过金粒子数量。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,7.3,、质量量子基准之金粒子法,27,第29页,二、基本物理常数与量子基准建立,28,第30页,在热学方面,已实现用声速法用波尔兹曼常数,k,复现温度单位开尔文,比原有水三相点定义有了很大提升。,为建立“开尔文”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,则得其电功率表示式：,p=v,2,/R,H,=n,2,ih,2,/4,(w),再依据最近,Storm,等人试验,得出量子化霍尔电阻上噪声功率为,:,p,1,=mK,T(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=p,1,则：,T=,n,2,ih,/(4mK)(k),由此可见,热力学温度单位量值开尔文能够经过基本物理常数,h,和,K,结合频率,导出,。这么,便成了“开尔文”量子基准。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,8,、基本物理常数和热学单位量子基准,29,第31页,“摩尔”与质量单位“千克”亲密相关。因为当系统物质量为,l,摩尔时,其中所含基本单元数刚好为阿伏加德罗常数,N,A,所以“摩尔”基准建立是经过确定阿伏加德罗常数值来完成得。当前认为硅单晶是用以确定阿伏加德罗常数值最适当物质。如设摩尔质量为,M,si,，硅单晶同位素组合平均原子质量为,m,si,，则：,N,A,=M,si,/m,si,=M,si,n,si,/,（,si,si,）,其中,si,为硅原子密度,si,为硅晶格间距,而,n,si,为单位立方晶胞中硅原子数。这么,该方程可作为“摩尔”定义方程,从而建立了它量子基准。不过,N,A,这个宏观物理常数,其不确定度达,10,-6,”量级,这比千克原器不确定度,(10,-8,),还大两个数量级。故这个基准至今还不能实用。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,9,、基本物理常数和物质量单位量子基准,30,第32页,因为发光强度要考虑人眼视觉原因，所以尚不能制订出它量子基准。,二、基本物理常数与量子基准建立,2.,10,、量子计量基准发展现实状况,31,第33页,年,国际单位制咨询委员会,(CCU),主席,I.M.M ills,等五位著名科学家提出,能够先把,SI,基本单位改由基本物理常数来定义,以后再用试验准确确定单位量值。这一提议在国际上引发了热烈讨论,但也遭到了不少质疑。有些人明确指出,在试验测量能力未到达更改,SI,基本单位要求情况下,强行对基本物理常数定值,并更改,SI,基本单位定义,是走入了错误方向。在,年国际单位制咨询委员会,(CCU),会议上,两类对立不一样意见达成了妥协,在最终,CCU,决议中,保留了对,SI,基本单位定义在基本物理常数和自然物性上标准和文字表述,删除了对基本物理常数定值时间要求。,二、基本物理常数与量子基准建立,32,第34页,谢谢！,第35页,
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
