【學術線上】莫爾和公斤單位的重新定義

■單位是將物質標準量化的表示法。國際單位制(SI)是最普遍採用的標準度量衡單位系統,該體制是在18世紀末法國大革命時期科學家們所發展起來的單位制度。首先,國際單位制將質量、長度、時間、電流、溫度、物質量、發光強度,此七個物理量的單位定義為公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)、安培(A)、克耳文(K)、莫耳(mol)、燭光(cd)七個基本單位。然而,原有的制度將可能更新。

1311編譯|黃郁崴

若獲得國際科學組之間達成共識,國際單位制(SI)原有的七個基本單位將在2018年改由自然界的七個基礎常數換算成新的單位制度。以時間為例,一秒的時間定義為銫133原子基態超精細能階躍遷的9,192,631,770 個週期所持續的時間;而表示長度的單位,一公尺的距離將由真空中的光速299,792,458 m/s換算而得;其他基本單位可由蒲朗克常數(公斤)、波茲曼常數(克耳文)、亞佛加厥常數(莫耳)、基本電荷(安培)、與特定波長單色光的發光效率(燭光)獲得。其中,以新的方法重新定義公斤與莫耳的方法卻在化學界中引來很多爭議。在2014年八月在美國舊金山舉辦的國際度量衡大會(由ACS Committee on Nomenclature, Terminology & Symbols贊助),便以此主題為中心展開討論。

原有的莫耳定義如下: 「若物質所含有基本單元的數量與0.012 公斤的碳12所含的原子數目相同,此數量即為一莫耳。」而在新的國際單位制中,則是確切定義亞佛加厥常數為 6.022X×1023mol–1,這當中X代表額外多出的位數,一旦這定義被採用,會根據其最佳適用值來設定X的數字。有些化學家並不喜歡國際單位制所提議,以標定亞佛加厥常數作為衡量物質數目的正式方法。國際標準技術研究所(NIST)的代理所長Wille E. May認為:「亞佛加厥常數和莫耳在用於討論分子反應是適切的,但他們並非全面性適用。如談到汽車廢氣排放量,會以每英哩多少克的概念表達;論到汽油中含硫量則以每加侖多少ppm來表達。」事實上,莫耳是最後加入國際單位制的基本單位,現今有些科學家也提議將其從國際單位制中除名。獨立計量顧問Paul De Bièvre提到:「分析化學家通常視亞佛加厥數為一比例係數,作為原子尺度與巨觀層次的連接(如amu與克兩種層次的概念)。」他和其他學者建議,將亞佛加厥數視為一個計量數是比較好的,其概念類似一打(12)或一古高爾 (googol, 10100)。

「公斤」則是國際單位制中,唯一仍以實體文物量測作為定義的基本單位。「國際公斤原器」,the international prototype of the kilogram) 是被保存在法國國際度量衡局儲藏室中的一個如梅子大小鉑銥合金圓柱體的質量。然而,從1889年奠立這公斤的正式標準的文物卻隨著時間風化,在質量上與複製品約少50微克的差異。現在計量學家希望將公斤的定義改成固定於自然界中不變的基礎事物。到目前為止,最被認可的方法是利用被精準設定為6.626X × 10-34 kgm2s-1的蒲朗克常數。為了由蒲朗克常數得到公斤,科學家可以利用瓦特天平 (Watt Balance)-它是以電磁力(讓電流通過一個懸放於磁場的線圈)平衡待測物質重量的方式來量測的。萊默恩學院(Le Moyne College)化學系教授Carmen J. Giunta表示:「(以此定義公斤)數學上是簡單的,但不要要求我對此解釋其物理意義。」事實上科學家已經開始使用瓦特天平,由測定公斤標準砝碼來得到蒲朗克常數了。卡內基美濃大學化學系榮譽教授Paul J. Karol則堅持,使用瓦特天平由蒲朗克常數逆向定義公斤是一個絕對的錯誤。他指出:「除了在概念上很難將電流與公斤連接在一起之外,質量平衡的方法也非常依賴局部重力場,此局部重力場會隨著地理位置、潮汐或其他因素而變化。」Karol與其他人期盼見到公斤的定義由一個碳12原子的質量而來,因為這也是自然界不變的性質之一。不過物理學家卻反對這個方法,因為蒲朗克常數一直是透過公斤所換算獲得的。

對於大部分的化學家來說,這國際標準制提議的校正將走向被忽視一途,因為只有那些極端的分析測量會被影響。國際標準技術研究所的May表示:「我們的目的是確保全世界所做的化學和生物量測能的比較可以超越時空。」

因此,當重量與物質量重新定義的單位在國際間達成共識,以後所有的單位都將被改寫,如圖所示。新國際單位制中,七個基礎單位(圖中有顏色的圓圈)和七個有定義值的基礎常數(圖中灰色圓圈)之間的關係。

--研究出處:Rethinking The Mole And Kilogram
譯者:黃郁崴 科教中心特約寫手,台灣大學化學所博士生。
責任編輯:台灣大學化學博士林雅凡

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