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科學講堂:科技進精度升 國際單位換新衣

2016-11-30
■現今SI制度7個基本單位的相互關係(左)。右為將推出新的SI制度。 網上圖片■現今SI制度7個基本單位的相互關係(左)。右為將推出新的SI制度。 網上圖片

重視7大單位相關性 料2018行新制

上期討論出於實用考慮,歷史上出現了不同的量度單位。然而,當自然科學、科技及經濟對準確度的要求不斷提高,就出現了國際公認的單位-國際單位制(The International System of Units,SI)。任何的物理測量均建基於以下7個基本單位,或是它們的組合,7個基本單位包括:

量度長度:米(m)

量度質量:千克(kg)

量度時間:秒(s)

量度電流量:安培(A)

量度溫度:開氏(K)

量度亮度:坎德拉(cd)

量度物質量:摩爾(mol)

以上基本單位都有仔細的定義,而複合單位的定義亦與這些定義相關。隨荋量方法的進步,基本單位的定義愈精細準確,是以它們會隨荇伅’荍幭隉A例如1793年,科學家把地球四分之一子午線的長度,定義為一千萬米(詳見11月23日「科學講堂」),而「一米」的定義分別於1960年及1983年被更新,而且這些定義盡可能遠離會不斷改變的物質。

1960年「一米」以氪元素輻射波長定義

因為地球四分之一子午線的長度不便在實驗室量度,故此於1960年,科學家把米重新定義,他們希望以某元素的波長作米的定義,而且該元素的原子數及中子數均要為雙數,讓原子的自旋(nuclear spin)不會影響量度。所以元素中,鎘(cadmium)、氪(krypton)及水銀(mercury)的自旋均為0,而且它們的波長(wavelength)可於光譜中的可見光區域被觀察。因為氪於室溫中為氣體,而且穩定性十分高,故此,科學家把一米定義為真空中氪86(Krypton-86)原子橙色輻射波長的1650763.73倍。

為什麼科學家把這個奇怪的非正數作為倍數?因為科學家把氪86的橙色輻射與鎘的紅色輻射比較而得來的。這個定義建基於一個穩定的物理現象,而且可於世上任何設備完善的實驗室重複量度。

1983年原子鐘技術助重新定義

然而,以氪86作為一米的定義只維持了二十多年。隨茯鴔瑗i步,科學家發現氪86的不對稱性,故此於1983年,米的定義再次被修改。當時原子鐘超卓的技術讓科學家把米的定義建基於秒之上,他們把一米定義為以「光於真空中1/299792458秒內行走的距離」。

不同單位關係更重要

除了科學技術的提升,出現了新的SI制度,長度的量度為一例,更重要的是不同單位之間的關係。然而,現今的系統仍然不夠完整。

從右圖可見,現今開氏的定義與其餘6個單位不相關。故此,於2018年,將會推行新的SI制度,以彌補舊制的不足。

小 結

隨茯儩УP科技的進步,社會對量度的精確度愈來愈高。科學家不只追求準確度,更追求一致性。有時聽到不喜歡科學的人說,科學不斷改變,故並非真理。

其實科學家並沒有認為科學是真理,反而是透過反覆驗證,力求完善,把「客觀事實」的準確度不斷提高。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾任教於加州的州立大學及香港大學,現於洛杉磯Pierce College化學系任助理教授。讀者可通過www.facebook.com/drbennyng聯繫作者。

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