【中文词条】物理量单位制
【外文词条】systemofunitsofphysicalquantity
物理学简介
物理学是一门实验科学﹐它的理论建立在实验观测上。实验观测离不开物理量的测量﹐为了定量地表明观测量值的大小﹐对于同一类物理量(例如长度)﹐需要选出一个特定的量作为单位(例如1米)﹐这一类中的任何其他量﹐都可以用这个单位和一个数的乘积来表示﹐这个数就称为该物理量以上述特定的量作为单位时的数值。
各种物理量通过描述自然规律的方程及新物理量的定义而彼此相互联系。为了方便﹐通常在其中选取一组互相独立的物理量﹐作为基本物理量﹐其他量则根据基本量和有关方程来表示﹐称为导出量。
物理学中人们最早研究的分支是力学。在力学范畴内﹐首先建立了以长度﹑质量和时间为基本物理量的单位制﹐就是人们所熟悉的厘米'克'秒(CGS)制。
为了国际上的贸易﹑工业以及科学技术交往的需要﹐1875年在巴黎由17国外长制定了米制公约。米制公约中规定﹕长度以米为单位﹐质量以千克(公斤)为单位﹐时间以秒为单位。这种单位制称为米'千克'秒制。
随著电磁学﹑热力学﹑光辐射学和微观物理学的发展﹐基本物理量逐渐由3个扩展到7个。建立了在米'千克'秒制基础上发展起来的单位制﹐它得到1960年第11届国际计量大会的确认﹐称为国际单位制(简称SI)。
国际单位制的构成原则比较科学﹐大部分单位都很实用﹐并且涉及所有专业领域。普遍推广国际单位制﹐可以消除因多种单位制和单位并存而造成的混乱﹐节省大量的人力和物力﹐有利于促进国民经济和国际交往的进一步发展。
目前绝大部分工业发达国家都积极地推广国际单位制﹐原来采用英制的国家也决定放弃英制﹐采用或准备采用国际单位制。
由于在物理学中﹐特别是理论物理学中﹐有时需要使用厘米克秒制单位及其发展的电磁单位﹐所以厘米克秒单位制至今仍作为一种保留使用的单位制。国际计量委员会认为﹐在使用厘米克秒制时﹐一般最好不与国际制单位并用。
在粒子物理学中﹐至今仍广泛采用一种特殊的单位制﹐即自然单位制。在自然单位制中﹐把基本物理常数(普朗克常数h除以2π)和c(真空光速)和玻耳兹曼常数k都取作1。于是﹐基本物理量可以减少﹐从而能够选用能量作为唯一的基本物理量。在同粒子物理密切相关的其他物理学科中﹐有时也采用自然单位制。
物理量单位制历史
1927年第7届国际计量大会通过了第一个国际温标。这个国际温标在1948年进行了修改﹐由1960年第11届国际计量大会定名为1948年国际实用温标(代号为IPTS-48)。後来又有了IPTS－48的1960年修订版。修订版的固定点温度值仍保持1948年的值。
1968年国际计量委员会又通过了新的国际实用温标﹐它同目前所知的最佳热力学结果相符。这个温标的代号为IPTS-68。它是建立在下列两点的基础上的﹕首先﹐有11个可以复现的固定点﹐在13.81K到1337.58K范围内规定用气体温度计测定固定点的温度值﹔其次﹐规定用标准仪器(13.81K到903.89K为铂电阻温度计﹐903.89K到1337.58K为铂铑铂热电偶﹐1337.58K以上用光谱高温计和常数=0.014338m'K)﹐根据规定的固定点进行分度(见温度测量)。
国际单位制
国际单位制在国际单位制中﹐将单位分成三类﹕基本单位﹑导出单位和辅助单位。7个严格定义的基本单位是﹕长度(米)﹑质量(千克)﹑时间(秒)﹑电流(安培)﹑温度(开尔文)﹑物质的量(摩尔)和发光强度(坎德拉)。这些基本单位在量纲上是彼此独立的。导出单位很多﹐都是由基本单位组合起来而构成的。辅助单位目前只有两个弧度、球面度纯系几何单位。当然﹐辅助单位也可以再构成导出单位。
基本单位基本单位的定义始於1889年﹐在近百年内﹐由于科学技术的发展﹐它们的定义也在不断发生变化﹐下面简述其定义和演变的情况。
长度单位──米(m)
长度单位──米(m)。1889年第1届国际计量大会批准国际米原器(铂铱米尺)的长度为1米。1927年第7届计量大会又对米定义作了如下严格的规定﹕国际计量局保存的铂铱米尺上所刻两条中间刻线的轴线在0℃时的距离(铂铱米尺是一根横截面近似为形的尺子﹐在其中间横肋两端表面上各刻有3条与尺子纵向垂直的线纹﹐中间刻线是指每3条线纹的中间刻线)。这根尺子保存在1标准大气压下﹐放在对称地置於同一水平面上并相距571毫米的两个直径至少为1厘米的圆柱上。
上述对於米的定义有一个不确定度﹐约为1×10。由於科学技术的发展﹐它已不能满足计量学和其他精密测量的需要。在20世纪50年代﹐随著同位素光谱光源的发展﹐发现了宽度很窄的氪－86同位素谱线﹐加上干涉技术的成功﹐人们终於找到了一种不易毁坏的自然基准﹐这就是以光波波长作为长度单位的自然基准。
于是﹐1960年第11届国际计量大会对米的定义更改如下:“米的长度等于氪－86原子的2p和5d能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。”氪－86长度基准的极限不确定度为±4×10。米的定义更改後﹐国际米原器仍按原规定的条件保存在国际计量局。
由于饱和吸收稳定的激光具有很高的频率稳定度和复现性﹐同氪－86的波长相比﹐它们的波长更易复现﹐精度也可能进一步提高。因此﹐在1973年和1979年两次米定义咨询委员会会议上﹐又先后推荐了4种稳定激光的波长值﹐同氪－86的波长并列使用﹐具有同等的准确度。
1973年以来﹐已精密测量了从红外波段直至可见光波段的各种谱线的频率值。根据甲烷谱线的频率和波长值得到了真空中的光速值c＝299792458米/秒。这个值是非常精确的﹐因此人们又决定把这个光速值取为定义值﹐而长度(或波长)的定义则由时间(或频率)通过公式s＝vt(或λ＝c/f)导出。1983年10月第17届国际计量大会正式通过了如下的新定义:“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”
质量单位──千克(kg)
质量单位──千克(kg)。1889年第1届国际计量大会批准了国际千克原器﹐并宣布今後以这个原器为质量单位。
为了避免“重量”一词在通常使用中意义发生含混﹐1901年第3届国际计量大会中规定﹕
千克是质量(而非重量)的单位﹐它等於国际千克原器的质量。这个铂铱千克原器按照1889年第1届国际计量大会规定的条件﹐保存在国际计量局。目前经精确测定，国际千克原器比定义时轻了50毫克，而且与其他物理量的绝对测定不同；因此，科学界准备更新千克定义。
时间单位──秒(s)
时间单位──秒(s)。最初﹐时间单位“秒”被定义为平均太阳日的1/86400。“平均太阳日”的精确定义留待天文学家制定。但是测量表明﹐平均太阳日不能保证必要的准确度。为了比较精确地定义时间单位﹐1960年第11届国际计量大会批准了国际天文学协会规定的以回归年为根据的定义:“秒为1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31556925.9747。”但是﹐这个定义的精确度仍不能满足当时的精密计量学的要求﹐於是﹐1967年第13届国际计量大会又根据当时原子能级跃迁测量技术的水平﹐决定将秒的定义更改如下﹕
秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁的辐射周期的9192631770倍的持续时间。
电流强度单位──安培(A)
电流强度单位──安培(A)。电流和电阻的所谓“国际”电学单位﹐是1893年在芝加哥召开的国际电学大会上所引用的。而“国际”安培和“国际”欧姆的定义﹐则是1908年伦敦国际代表会议所批准的。（见下文）
虽然﹐1933年在第8届国际计量大会期间﹐已十分明确地一致要求采用所谓“绝对”单位来代替这些“国际”单位﹐但是直到1948年第9届国际计量大会才正式决定废除这些“国际”单位﹐而采用下述电流强度单位的定义﹕
在真空中相距1米的两无限长而圆截面可忽略的平行直导线内通过一恒定电流﹐若这恒定电流使得这两条导线之间每米长度上产生的力等於2×10^-7牛顿﹐则这个恒定电流的电流强度就是1安培。
热力学温度单位──开尔文(K)
热力学温度单位──开尔文(K)。1954年第10届国际计量大会规定了热力学温度单位的定义﹐它选取水的三相点为基本定点﹐并定义其温度为273.16K。1967年第13届国际计量大会通过以开尔文的名称(符号K)代替“开氏度”(符号K)﹐其正式定义是﹕
热力学温度单位开尔文﹐是水三相点热力学温度的1/273.16。同时﹐大会也决定用单位开尔文及其符号K表示温度间隔或温差。
除了以开尔文表示的热力学温度(符号T﹐见热力学温标)外﹐也使用由式t＝(T-273.15)K定义的摄氏温度(符号t)。
式中273.15K是水的冰点的热力学温度﹐它同水的三相点的热力学温度相差0.01开尔文。摄氏温度的单位是摄氏度(符号℃)。因此﹐“摄氏度”这个单位同单位“开尔文”相等。摄氏温度间隔或温差用摄氏度表示。
按照热力学温度单位开尔文的定义﹐对温度进行绝对测量﹐必须藉助热力学温度计﹐例如藉助气体温度计。
从理论上来说﹐热力学温标是合理的﹐但具体实现却非常困难。因此﹐国际上决定采用实用温标﹐这种实用温标不能代替热力学温标﹐而是根据当时测量技术的水平尽可能提高准确度﹐逼近热力学温标。根据实用性的要求﹐还应在国际上进行统一
物质的量单位──摩尔(mol)
物质的量单位──摩尔(mol)。这个单位同原子量有密切关系。最初﹐“原子量”是以化学元素氧的原子量(规定为16)为标准。但是化学家是把氧的同位素氧－16﹑氧－17﹑氧－18的混合物﹐即天然氧元素的数值定为16。而物理学家则是把氧的一种同位素即氧－16的数值定为16﹐两者很不一致。1959～1960年﹐国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)和国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)取得一致协议後﹐结束了这种不一致局面。决定改用碳同位素碳－12作为标准﹐把它的原子量定为12﹐并以此为出发点﹐给出了“相对原子质量”的数值。馀下的问题是通过确定碳－12的相应质量以定义物质的量的单位。根据国际协议﹐一个“物质的量”单位的碳-12应有0.012千克。这样定义的“物质的量”单位取名摩尔(符号mol)。
国际计量委员会根据国际纯粹与应用物理联合会﹑国际纯粹与应用化学联合会及国际标准化组织的建议﹐于1967年制定并於1969年批准了摩尔的定义﹐最後由1971年第14届国际计量大会通过﹐其定义为﹕
摩尔是一系统的物质的量﹐该系统中所包含的基本单元数与0.012千克碳－12的原子数目相等。
在使用摩尔时基本单元应予以指明﹐它可以是原子﹑分子﹑离子﹑电子以及其他粒子﹔或是这些粒子的特定组合。摩尔的这个定义同时严格明确了以摩尔为单位的量的性质。
发光强度单位──坎德拉(cd)
发光强度单位──坎德拉(cd)。各国所用的以火焰或白炽灯丝基准为根据的发光强度单位﹐於1948年改为“新烛光”。这一决定是国际照明委员会(CIE)和国际计量委员会在1937年以前作出的。国际计量委员会根据1933年第8届国际计量大会授予的权力﹐在1946年的会议上予以颁布。1948年第9届国际计量大会批准了国际计量委员会的这一决定﹐并同意给这个发光强度单位一个新的国际名称“坎德拉”(代号cd)。1967年第13届计量大会正式通过了下列修改定义﹕
坎德拉是在101325帕斯卡压力下﹐处於铂凝固温度的黑体的1/60000平方米表面在垂直方向上的发光强度。
上述定义一直沿用到1979年。在使用中发现﹐各国的实验室利用黑体实物原器复现坎德拉时﹐相互之间发生了较大的差异。在此期间﹐辐射测量技术发展非常迅速﹐其精度已能同光度测量相比﹐可以直接利用辐射测量来复现坎德拉。鉴于这种情况﹐1977年国际计量委员会明确了发光度量和辐射度量之间的比值﹐规定频率为540×10赫的单色辐射的光谱光效率为683流明每瓦特。这一数值对於明视觉光已足够准确﹔而对暗视觉光﹐也只有约3％的变化。
1979年10月召开的第16届计量大会上正式决定﹐废除1967年的定义﹐对坎德拉作了如下的新定义﹕
坎德拉为一光源在给定方向的发光强度﹐该光源发出频率为540×10赫的单色辐射﹐且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。
导出单位
导出单位是用基本单位或辅助单位导出的单位。有些导出单位本身已有专门名称和特有符号﹐这些专门名称和符号又可以用来组成其他导出单位﹐从而比用基本单位来表示要更简单一些。
下面是具有专门名称的一些导出单位的定义。
赫兹(频率的单位)──周期为1秒的周期现象的频率为1赫兹。
牛顿(力的单位)──使1千克质量产生1米每二次方秒加速度的力。
帕斯卡(压力单位)──每平方米面积上1牛顿力的压力。
焦耳(能或功的单位)──1牛顿力的作用点在力的方向移动1米距离时所作的功。
瓦特(功率单位)──1秒内给出1焦耳能量的功率。
库仑(电量单位)──1安培电流在1秒内所运送的电量。
伏特(电位差和电动势单位)──在流过1安培恒定电流的导线内﹐两点之间所消耗的功率若为1瓦特﹐则这两点之间的电位差为1伏特。
法拉(电容单位)──给电容器充1库仑电量时﹐二极板之间出现1伏特的电位差﹐则这个电容器的电容为1法拉。
欧姆(电阻单位)──在导体两点间加上1伏特的恒定电位差﹐若导体内产生1安培的恒定电流﹐而且导体内不存在任何其他电动势﹐则这两点之间的电阻为1欧姆。
西门子(电导单位)──欧姆的负一次方。
亨利(电感单位)──让流过一个闭合回路的电流以1安培每秒的速率均匀变化﹐如果回路中产生1伏特的电动势﹐则这个回路的电感为1亨利。
韦伯(磁通量单位)──让只有一匝的环路中的磁通量在1秒钟内均匀地减小到零﹐如果因此在环路内产生1伏特的电动势﹐则环路中的磁通量为1韦伯。
特斯拉(磁感应强度或磁通密度单位)──每平方米内磁通量为1韦伯的磁感应强度。
流明(光通量单位)──发光强度为1坎德拉的均匀点光源向单位立体角(球面度内)发射出去的光通量。
勒克斯(光照度单位)──每平方米为1流明光通量的光照度。
贝可勒尔(放射性活度单位)──1秒内发生1次自发核转变或跃迁﹐为1贝可勒尔。
戈瑞(比授予能单位)──授予1千克受照物质以1焦耳能量的吸收剂量。
辅助单位目前只有两个﹕弧度和球面度(纯系几何单位)﹐其定义如下﹕
弧度是一个圆内两条半径之间的平面角。这两条半径在圆周上截取的弧长与半径相等。
球面度是一个立体角﹐其顶点位于球心﹐而它在球面上所截取的面积等於以球半径为边长的正方形的面积。
厘米'克'秒制(CGS制)在物理学的许多书籍和论文中﹐尤其是在理论物理学中﹐至今仍广泛采用厘米克秒制(CGS制)。这种单位制选用厘米﹑克和秒作为它的基本单位。厘米克秒制有一个方便之处﹐就是1立方厘米的水﹐在其最大密度时具有近似为1克的质量。这种单位制是在英国科学进展协会标准委员会的倡导下建立的。三个基本单位决定後﹐按照一贯性的要求可以确定所有其他单位﹐即导出单位。但当涉及电磁现象时﹐导出单位的确立却不是唯一的﹐换句话说﹐有两条不同的途径。一条途径的出发点是两个磁极之间的作用力反比於距离平方﹐另一条途径的出发点是两个电荷之间的作用力反比于距离平方。韦伯﹐W.E.於1851年循著这两条途径得到了两种一贯性的“绝对”单位制。根据电荷的静电相互作用建立的叫做绝对静电制单位(CGSE)﹐而根据磁相互作用建立的叫做绝对电磁制单位(CGSM)。
电流强度的CGSE单位和CGSM单位的比值是/=﹐是光速。CGSM单位所规定的磁场强度的单位﹐称为奥斯特﹐规定的磁感应强度单位称为高斯﹐磁感应通量单位称为麦克斯韦。如果所有电学量单位用CGSE单位﹐而磁学量用CGSM单位﹐则构成了所谓绝对高斯制单位(见电磁学量的单位制)。
在只限於力学量和电学量的单位时﹐国际单位制中包括了电流作为基本单位﹐即共有四个基本单位。而在厘米'克'秒制中﹐则只有三个基本单位﹐电流作为导出单位。这两种单位制之间的关系见附表国际单位制(SI)与厘米克秒制(CGS)主要单位对照表。
表中的国际单位制采纳了一些当年英国科学进展协会建议采用的所谓的“实用单位”(其中包括一些导出单位)。例如电阻单位为欧姆﹐电动势单位为伏特﹐它们分别等於相应的CGSM制单位的10和10倍。英国科学进展协会的建议是在1881年获得巴黎第1届国际电学大会批准的。大会还引入了电流的实用单位安培﹐它等於相应的CGSM制单位的十分之一。後来又引入了电荷实用单位库仑和电容实用单位法拉。
人们为实用单位建立了欧姆实物基准(汞柱)﹑伏特实物基准(韦斯顿电池)和安培实物基准(银电解式电量计)﹐它们都作为副基准使用。1893年芝加哥国际电学大会根据这些实物基准﹐对欧姆﹑伏特和安培给予了“法定”定义。1908年在伦敦召开的国际电学大会又决定在计量学中采用以欧姆和安培的实物基准为依据的一整套的所谓“国际电学单位制”。
1948年第9届国际计量大会正式通过了米'千克'秒'安培的单位制﹐这就是目前国际单位制的基础。
国际计量委员会为了研究单位问题﹐在1954年成立了“单位制委员会”﹐1964年10月改名为“单位咨询委员会”(CCU)。