米(m)- 长度单位

 

米的定义

米,国际单位制中的长度单位,符号m。当真空中光速c以单位m/s表示时,取其固定数值为299 792 458来定义米,其中秒用ΔνCs定义。

 

米定义的变迁

18世纪末,法国科学院受法国国民议会委托后提出“米制”概念,把通过巴黎天文台的地球子午线长度的四千万分之一定义为“米”。1792到1798年,科学家在西班牙的巴塞罗那和法国的敦刻尔克之间进行三角测量,历时六年得出通过巴黎天文台的地球子午线从赤道到地极点的距离,并以它的千万分之一(相当于地球子午线的四千万分之一)作为1米的长度,于 1799年用铂金制成横截面积为25.3×4.05毫米的矩形端面基准米尺,米尺两端面间的距离即为1米。保存在法国档案局,所以称为“档案米尺”(Meter des archives),又名“阿希夫米尺”。

不久后,人们发现阿希夫米尺偏离了原来的定义,它比地球子午线长度的四千万分之一短了约0.2毫米。但为了方便使用,阿希夫米尺作为法国的长度标准,一直沿用了近100年。

由于米制具有简单易懂、结构合理、通用性广等优点而逐步为其他国家所接受。1869和1872年,在由法国政府主持召开的两次国际米制委员会会议上决定制造新的基准米尺,即米原器及其复制品。新米原器以阿希夫米尺为准。国际米制委员会共制造了31根同样的米原器,其中6号米尺的长度和阿希夫米尺最接近,因此将其作为国际基准米尺,保存在国际计量局。

1889年第一届国际计量大会批准了国际计量委员会所选择的米原器,并宣布“该米原器以后在冰融点温度时代表长度的米单位”。考虑到环境因素对尺长的影响,1927年第七届国际计量大会又对此作了更明确的规定:长度的单位是米,为国际计量局所保存的铂铱尺上所刻的两条中间刻线的轴线在0 °C时的距离,该铂铱尺被国际计量大会宣布为米原器,米原器的复现不确定度约为1.1 × 10-7


图:“尺之原器”是1909年(宣统元年)清政府向国际计量局定制的长度标准器,它是中国最早的一支高精度线纹尺原器

从此,米的定义由端面距离转为刻线间距离。但用刻线间距离来定义米也有缺点,如刻线质量和材质稳定性等都会影响其尺寸稳定性和复现精确度的提高,而且一旦毁坏,就再也无法复现。

早在十九世纪初,就有物理学家认为应该从可见光波长,而不是实物尺寸中去寻找长度基准。但当时对光辐射的特性了解不够而无法实现。二次大战后,由于同位素分离技术的发展,使这一设想成为可能,科学家们选择了86Kr的橙色谱线来定义米。1960年第十一届国际计量大会上正式批准废除铂铱米原器,而将米定义改为:“米等于86Kr原子的2p10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73个波长的长度”。

由此长度基准完成了从实物基准向自然基准的过渡。经仔细研究后发现,86Kr基准谱线的波长仍稍有不对称。当规定了谱线轮廓中位置后(例如极大值、重心、或两者的平均位置),复现米的不确定度可以达到4 ×10-9

1983年,第十七届国际计量大会通过了新的米定义:“米等于光在真空中299 792 458分之一秒的时间间隔内所经路径的长度”。该定义隐含了光速值c =299 792 458m/s,这是一个没有误差的定义值。

新“米”定义的复现方法有三种:

(1) 若平面电磁波在时间间隔t内,在真空中所经路径的长度为l,则由测得的时间间隔t就可以由定义的光速c得到l

(2) 若测量出某平面电磁波的频率f,则由定义的光速值可得到其波长值。

(3) 采用国际计量委员会推荐的可以用于复现长度单位米的辐射表中的任何一种辐射。该辐射表给出了它们的频率值,真空波长值,使用条件以及相应的不确定度。

第一种方法无疑仅能用于天文和大地测量。第二种方法需要直接测量激光频率,不是普通实验室都能实现的。因此第三种方法是最方便、最常用的方法。

自此,长度基准完成了由自然基准向用基本物理常数定义基本单位的过渡。

自1983年以来,国际计量委员会先后4次推荐了13种可用于复现米定义的稳频激光辐射和若干光谱灯辐射,并分别给出了它们的频率值、波长值及其不确定度。从计量学角度看,已不存在哪种辐射光源或哪个装置为长度基准的问题。换句话说,就是任何人在任何地方,只要按照定义都可以生成米。

但从法制计量角度看,仍要求确定某种辐射光源的某个装置为长度计量基准。目前,世界上绝大多数国家,包括我国都采用碘稳频633nm氦氖激光器作为实际上的长度计量基准,在规定的条件下,它的频率和波长值分别为473 612 353 604kHz和632.991 212 58nm,相对标准不确定度为2.1×10-11

为了便于半导体行业在纳米尺度的几何量溯源,2018年国际几何量咨询委员会(CCL)向国际计量大会(CIPM)提出建议:采用国际科学技术数据委员会(CODATA)数据库的,22.5℃真空环境下硅晶格{220}方向的尺寸d220 = 192.015 571 4 × 10-12 m,其标准不确定度0.000 003 2 × 10-12 m,作为第四种米定义的复现方法。