米的定義及其發(fā)展

一、米定義的演變

1790年，法國科學(xué)院受法國國會(huì)的委托，提出了 “米”制的建議。1791年“米制”的建議得到批準(zhǔn)，決定以通過巴黎的子午線的四千萬分之一作為1米，并開始進(jìn)行實(shí)地測量。1799年測量結(jié)束，根據(jù)測量結(jié)果，法國制造了一支銥合金矩形的金屬標(biāo)準(zhǔn)米尺，這是當(dāng)時(shí)最早的公制長度實(shí)物基準(zhǔn)，并把它保存在巴黎法國檔案局，后人稱為“檔案米尺” 隨著國際貿(mào)易的發(fā)展，各國要求建立世界統(tǒng)一的長度基準(zhǔn)。十九世紀(jì)后期，國際計(jì)量局定制了30支橫截面為X形鉑銥合金的米原器復(fù)制品，它們的長度與檔案米尺相等。在1899 年召開的第一屆國際計(jì)量大會(huì)上批準(zhǔn)了經(jīng)過測量選定的其中NoVI作為國際長度基準(zhǔn)——國際米原器，稱國際米。國際計(jì)量局還從這批米尺中留下幾支作為工作原器，并把其余的分給其他有關(guān)國家，作為各國的長度基準(zhǔn)。1927年第七屆國際計(jì)量大會(huì)規(guī)定了由國際米確 定的米的定義是：“米是國際計(jì)量局保存的國際米原器上兩端刻線的中間刻線的軸線在0°C 時(shí)的距離”。米原器的復(fù)現(xiàn)不確定度約為1.1X10^-7。

由于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，米原器在測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性方面都不能滿足要 求，而且作為實(shí)物基準(zhǔn)，如果因意外而毀壞，不易復(fù)制。從二十世紀(jì)開始，各國科學(xué)家就 開始研究用自然基準(zhǔn)來代替實(shí)物基準(zhǔn)。I960年第十一屆國際計(jì)量大會(huì)通過了米的新定 義：“米的長度等于氪-86原子的2p₁₀。和5d₅能級(jí)之間躍遷所對應(yīng)的輻射在真空中波長的 1 650 763.73倍”。采用氪-86光波作為長度的自然基準(zhǔn)，準(zhǔn)確度高，可達(dá)1 X 10^-8,易于測量和復(fù)現(xiàn)。

二、現(xiàn)行米的定義

隨著具有方向性好、亮度高以及空間相干性和時(shí)間相干性高等特征的激光的出現(xiàn)和激光穩(wěn)頻和伺服技術(shù)的應(yīng)用，激光頻率、激光波長和光速等方面的研究工作取得了顯著的進(jìn) 展，1975年第十五屆國際計(jì)量大會(huì)提出米定義可以通過光速表示，并認(rèn)為光速值保持不 變對天文學(xué)和大地測量學(xué)具有重要的意義。二十世紀(jì)中、后期科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展， 用氪-86光譜輻射波長實(shí)現(xiàn)米的準(zhǔn)確度已經(jīng)不能滿足各方面的要求,激光的復(fù)現(xiàn)性和方便應(yīng)用等方面遠(yuǎn)優(yōu)于氪-86基準(zhǔn)。為此，1983年10月第十七屆國際計(jì)量大會(huì)通過的米的新定義為：“米是光在真空中在(1/299 792 458)s的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度”。由于時(shí)間單位秒(s)是頻率的倒數(shù)，現(xiàn)有秒定義的準(zhǔn)確度很高，而光速是個(gè)固定值，真空中的光速值已被推薦為c=299 792 458m/s,從理論上講沒有不確定度，從而米的定義可獲得很高的準(zhǔn)確度。

三、米定義的復(fù)現(xiàn)方法

第十七屆國際計(jì)量大會(huì)在通過米的新定義的同時(shí)，規(guī)定了復(fù)現(xiàn)米的定義的三種方法。

1.用于天文測量、大地測量的復(fù)現(xiàn)方法

可根據(jù)距離等于時(shí)間乘速度的關(guān)系式，由所測得的時(shí)間t與固定的光速值c來復(fù)現(xiàn)長度L。

2.用于實(shí)驗(yàn)室計(jì)量工作的復(fù)現(xiàn)方法

可根據(jù)  λ= c/f關(guān)系式，由所測得的頻率f與固定的光速值c來復(fù)現(xiàn)波長值λ。

3.用于一般測量的復(fù)現(xiàn)方法

可直接使用米定義咨詢委員會(huì)推薦使用的五種激光輻射和兩類同位素光譜燈輻射的任意一種來復(fù)現(xiàn)。所推薦的五種激光輻射是：

(1)甲烷吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射，其頻率和波長為：

f=88 376 181 607kHz

 λ= 3 392 231 397. 0fm

相對不確定度為1.3×10^-10。

(2)碘吸收穩(wěn)頻的染料激光或1.15μm氦氖激光的倍頻輻射，其頻率和波長為：

f=520 206 808. 53kHz 

λ= 576 294 706. 25fm

相對不確定度為6×10^-10。

(3)碘吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射，其頻率和波長為：

f=473 612 214. 8kHz

λ = 632 991 398. 1fm

相對不確定度為1×10^-9。

(4)碘吸收穩(wěn)頻的氦氖激光輻射，其頻率和波長為：

f=489 880 355. 1MHz

λ = 611 970 769. 8fm

相對不確定度為1. 1×10^-9。

(5)碘吸收穩(wěn)頻的氬離子激光輻射，其頻率和波長為：

f=582 490 603. 6MHz

λ= 514 673 466. 2fm

相對不確定度為1. 3×10^-9。

所推薦使用的兩類同位素光譜燈輻射是：

(1)對應(yīng)于氪-86原子在2p10。和5d5能級(jí)之間躍遷所對應(yīng)的輻射：

f=494 886 516. 5MHz

λ= 605 780 210. 2fm

相對不確定度為4×10^-9。

(2)汞-198和鎘-114原子的輻射。