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探究长度单位定义发展及复现方式【摘要】长度单位米的建立经历了一百多年的历史，从一 个自然基准到实物基准，又从实物基准到自然基准的变化， 其不确定度由原来的IX到现在的IX在现代米的新定义 下，可以采用天文、大地等测量工作的复现方法；实验室计 量工作的复现方法和用于一般测量工作的复现方法三种方 法进行米的定义的复现关键词】几何量；子午线；复现；米原器；不确定度; Kr光谱；国际计量委员会；光波；跃迁；辐射；真空几何量计量又称长度计量，是我国起步比较早，发展比 较快，技术比较成熟的一门科学我国是一个著名的文明古 国，有着光辉灿烂的古代文明，计量测试技术就是这个文明 的重要组成部分，而作为计量学中的几何量计量更有着悠久 的发展历史早在商代，我国即开始有象牙尺，秦始皇统一 度量衡制，已有互换性产生的萌芽，这从世界第八大奇迹兵 马俑出土的箭族的弩机已得到证实公元1600年前后，我 国就开始发展长度和计时计量而长度计量即几何量计量的 基本单位就是米国际单位制选择了彼此独立的七个量作为基本量，第一 个就是长度它的基本单位名称是米，符号是mo米是长度 的SI基本单位名称，长度、宽度、厚度、半径、周长、距 离等物理量的单位，都是用米或它的十进倍数单位来表示 的。

计量单位是人们选定的用于计量某类可测量大小的一 种尺度，它的量值由该单位的定义决定体现单位定义所给 定的量值，具有最高准确度的实物标准，叫做该单位的计量 基准为了保证计量单位的量值固定不变，在确定计量单位的 定义时，应当采用客观存在的固定量作为赋值的标准，通常 可供选用的固定量，有以某一实物所具有的量作为标准的， 称为实物标准；有以自然界天然存在的量作为标准的，称为 自然量标准长度是人们最早认识和使用的一个物理量自法国人建 立米制至今，长度基本单位米定义的建立，经历了一个从自 然基准到实物基准，又从实物基准到自然基准的过程，发展 过程可以分为四个阶段1790年法国国民议会采纳了达特兰提出的“以经过巴 黎的地球子午线全长的四千万分之一为一米”的建议1799 年巴黎科学院完成了从法国的敦尔克经巴黎到西班牙的巴 尔雪隆纳这一段子午线的实测工作，并根据这一长度而制作 的白金杆尺来复现米的量值，按测量结果所得的lm长度制 作了这支米尺，就是世界上第一个“米”定义的实物标准 ——档案米尺于是世界上最原始的米尺从此诞生了以地球子午线弧长命名的定义的米，精度低、复现又困 难，原始米尺的测量面又易于磨损。

因此在1875年的国际 米制会议上，对米作了新的定义，按档案米尺长度制作的国 际米原器取代档案米尺，作为国际长度计量标准同时在 1889年第一届国际计量大会上，将米定义改为：“米的长度 是在标准大气压下0乜时，米原器上两根刻线间的轴向距罔O考虑到原始米尺的受损原因，国际米原器在材料选用和 米原器的结构上采取了一系列的措施，以使米原器具有更为 优越的性能国际米原器由90%铀和10%较的合金制成，这 种合金具有良好的分子稳定性、较髙的硬度、弹性和异常高 的抗氧化性能米原器的结构呈X型结构，这种截面结构的 特点是，可用最少的材料取得最大的刚度，而且它与周围空 气有最大的接触面积，可使温度迅速达到平衡状态并规定 米原器应支撑在白塞尔支撑点上，以确保其变形最小以实物基准国际米原器定义的米，仍然存在着许多问题，不仅因为米原器这样的实物存在着遭受损坏和丢失的可 能，而且因为刻线工艺和测量方法等方面的不完善，使得米 原器的复现精度只有0・1微米，传递起来也不是很方便，又 无法判定米原器本身的长度变化国际米原器虽然在发展米 制和统一长度量值方面起了巨大的作用，但它无法适应科学 技术的迅速发展，0・1微米的精度根本不能满足现代科学技 术的要求，伴随着物理学的进一步发展，利用光波波长来精 密测量的干涉测量技术法被进一步的广泛应用，因此这便出 现由刻线尺作米的定义转化为以自然基准的新的米定义之 客观需要。

为了满足上述要求，各国都进行了这方面的研究工作， 并试图以光波波长代替钳铁合金制成的国际米原器，而将来 用光波波长的形式来表示最初提出采纳用钠(Na)的黄谱线 作为基准谱线，接着有提出采用水银(Hg)的绿谱线的，以 后由迈克尔逊提出采用镉(Cd)红谱线作为基准谱线，各国 的计量工作者都先后作了相应的一系列的试验和研究，认为 将米尺用光波波长的形式来表示是可以的1895年第二次国 际权度大会上确定了光波波长为米的自然证明基准，而于 1927年第七次国际权度大会上公认镉红谱线的波长与米尺 的比值为：在标准状态下，一米等于1553164. 13个镉红谱 线的波长，即镉红谱线的波长的长度是0. 64384696微米 以后一些国家的计量机构又利用能得到更精确的单色谱线 之同位素的辐射作为基准光源的问题进行了研究，在前苏联 以及英美等国家进行了对镉的同位素114 (Cd)水银的同位 素198 (Hg)和氟的同位素86 (Kr)都做了研究工作，认为 其所发出的谱线较之镉红谱线具有更多的优越性，因此为建 立更高准确度的长度自然基准提供了新的可能性1948年第 九届国际计量大会认为采用光的辐射波长作为米的新定义 使长度基本单位具有更高的准确度已到了无可争辩的地位 和不可毁灭性，且建议各国较大的计量机构对以上的元素所 辐射的谱线进行研究，建立米的新定义。

为此1952年国际 计量会议还专门成立了确定米的新定义的专门委员会1954年的第十次国际计量大会上，许多国家都作了关于 以上几种同位素辐射谱线性质的研究工作的报告，阐明了 Cd 的红谱线、Kr的黄谱线和Hg的绿谱线的外形及对称性等性 能但由于究竟采用哪一种元素的辐射谱线代替国际米原器 作为长度的自然基准乃是一个较复杂和有争议的问题，它所 涉及的范围很广，如对于谱线的宽度、视见度、对称性、干 扰、元素的提纯、测量时的条件等，还必须作深入的研究和 比较，故国际权度会议确定在第十一次国际计量大会（I960 年）前，仍保留米的原先的定义1957年国际权度局组织了新的米定义专门委员会第2次 常委会，各国计量实验室对上述研究课题的报告结果表明， 存在的问题主要有两个方面： （1）光谱线的波长和变化的更准确测量；（2）用法布里一珀罗标准及迈克尔逊干涉仅确定干涉 环视见度的两种方法来确定光谱线的外形同时对谱线的外形也作出了如下的结论：（1）谱线的宽度：在最好的条件下所得到的谱线宽度 已可以区别出Kr、Hg及Cd的价值次序，并且按照多普勒的 理论效应也得到同样的次序，即Kr的辐射线细于Hg的辐射 线，而Hg的辐射线又细于Cd的辐射线；（2） 对称性：Hg中最好的辐射绿线谱，当冷却水保持 2CTC时，仍不对称，而Kr的光谱线其对称性是完善的；（3） 干扰：发现Kr较好的光谱线较之Hg较好的光谱 线较少受到破坏。

为此根据这三个研究因素一谱线的宽度、对称性和不大 的干扰性均对于Kr有利，故国际权度局认为Kr的橙黄谱线 是目前已知最好的波长；且现个已能得到保证精度在的辐 射，它们能够决定米而大大精确于钳较米原器因此在1958 年的国际权度委员会常委会上，新的米定义专门委员会提出 了关于从以鉗钺合金国际米原器作为米的定义过渡到以自 然基准坐基础的新定义的决议草案提交即将召开的十一届 国际计量大会到1960年，研究取得显著成果：已探明Kr橙黄谱线具 有最窄的和最对称的辐射谱线，它能在最小扰动下产生，并 可用其他方法进行测量，而且这一单色光谱线的波长值，只 与其辐射频率和真空中的光速有关，如果光速为一定值，则 波长就是一个不随时间变化的值，因而可以在任何时间、任 何地点按其产生的条件加以复现，适于作为新定义的自然标 准故而在十一届国际计量大会上通过了 “米的长度等于Kr 原子的2P和5d能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长 的1650763. 73倍”这一定义.根据上述定义，该谱线在真空 中的波长值 (1/1650763. 73) m=0. 605780201 微米，复 现米这一定义的计量基准是Kr同位素光谱等装置。

1982年国际计量委员会鉴于原有的米定义已不能适应 一些测量工作的准确度要求，在当年6月召开了第七届米定 义咨询委员会和第八届单位咨询委员会上，审议和通过了这 两个委员会组成的联合工作组所提出的更改米定义的具体 建议早在1962年，米定义咨询委员会就曾号召有能力的国 家进行有关用激光取代先行长度基准的研究这是因为自激 光问世以来，由于激光具有方向性好、单色性好和光强大的 特点，特别是激光辐射的光谱宽度可以小到0. 0001m (相当 于30kHz),在用干涉法测量长度时，即使光程差大至几千米 的距离，仍然可以观察到对比非常清晰的干涉图象这样一 些特点显示出激光比Kr原子辐射谱线要优越得多，但是在 当时激光频率的稳定性和复现性问题尚未得到解决经过几 年的努力，已经掌握了激光的一些稳频技术，包括利用兰姆 凹陷稳频、甲烷吸收稳频、信号发生器与压电陶瓷调制稳频 技术因此在1983年召开的第十七届国际计量大会上，批 准了米的新定义：“米是光在真空中在(1/299792458)秒 的时间间隔内所经路径的长度同时也意味着原来米的定 义氟一86光波波长作为复现米的基准已被废除我们现在简单的总结一下长度基本单位米的定义经历 的四个阶段。

第一阶段：米的定义为“地球子午线长的四千万分之 一 ”O第二阶段：在1889年9月20日，第一届国际计量大会 根据瑞士制造的米原器，给米定义为“标准大气压0*时， 巴黎国际计量局的截面X形的钳做合金尺两端刻线记号间的 距离第三阶段：在1960年10月的第十一届国际计量大会上 给米下了第三次定义：“米等于Kr原子2P和5d能级间的 跃迁辐射在真空中的1650763. 73个波长的长度‘第四阶段：就是现在的米的定义，是在1983年第十七 届国际计量大会定义的，为“光在真空中(1/299792458) 秒的时间间隔内所经路径的长度第三阶段以自然基准代 替实物基准，这是计量科学的一次革命用光波波长定义米 的主要优点是稳定、不受环境的影响，只要符合定义规定物 理条件，就能得到复现在特殊的技术条件下，氟86用起 来很困难，仍不是科学家理想的“米原器”，在用了 23年 后就被淘汰了米定义的每次变化，都使得其复现的不确定 度进一步减小，第二阶段米定义的不确定度是IX,第三阶 段米定义复现不确定度是IX第四阶段米定义的复现不确定 度达到了 IX经过了一百多年，米的定义由宏观自然基准 到实物基准，然后又发展到微观自然基准的四个阶段，并且 正在向不确定度更小的微观自然基准方向发展。

新的米的定义可以采用以下三种方式复现：(1) 用平面电磁波在真空中、在时间间隔t内所行进 的路程长度1复现这是一种直接由定义复现米的方法，只 要精确测出电磁波行进的时间t,就可以利用关系式l=ct求 出长度值1,式中真空光速值已规定为c=299792458m/so很 早以前人们就通过时间来测量距离了，并在天文大地测量中 被广泛应用，现在只不过是以更高的精确度来复现米和进行 长度测量这一复现方法也称之为“飞行时间法”，它对天 文、大地及航天技术中的大长度测量有着明显的优点，如能 进一步提高测距仪的时间测量准确度，大尺寸的测量可摆脱 线纹尺及干涉仪的束缚而独立出来，大大减少了传递的层 次2) 用频率为f的平面电磁波的真空波长入来复现 这种方法称为“真空波长法”在实际使用时仍然可以应用 传统的光波干涉法，但应指出的是这里的波长不是与Kr基 准波长相比较得出的，而是通过测出该电磁波(当然包括可 见光波在内)的频率值，并应用关系式入二c/f求得的波长 值,式中的光速C仍为299792458m/so(3) 直接应用米定义咨询委员会(CCDM)推荐的五种 稳频激光系统复现米定义在CCD。