基本物理常数和量子基准的建立PPT讲稿.ppt
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1、基本物理常基本物理常数数和量子基准的建立和量子基准的建立第1页,共35页,编辑于2022年,星期六目 录一、计量基准的变迁一、计量基准的变迁二、二、基本物理常数与量子基准的建基本物理常数与量子基准的建立立第2页,共35页,编辑于2022年,星期六一、一、计量基准的变迁计量基准的变迁1.1、计量基准起源计量基准起源自人类社会建立以来,物质交换活动就一直在进行。为了把客观世界的特性用数量表达,就需要进行测量,测量过程实质上是一种比较的过程。要进行比较,当然要有一个特定的比较对象,而这个特定比较对象即是所谓计量基准。在长期的探索过程中,人类社会中出现各式各样的计量基准。针对这些计量基准的不同特性(时
2、间、长度等),物质的量化也就有了不同的单位(秒、米)来对其进行描述。实际上计量基准即是用于保存和复现这些基本单位的装置。为了保证计量的准确性和可靠性,统一计量单位和计量标准是必要的。1第3页,共35页,编辑于2022年,星期六一、一、计量基准的变迁计量基准的变迁1.21.2、计量基准建立的发展、计量基准建立的发展v秦始皇首次统一中国的计量标准(统一度量衡)是历史上我国对计量事业的重要贡献。v18 世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展,首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制米制,确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。v目前国际上一致公认的国际单位制SI。其中规定了米、千克、秒、安培、
3、开尔文、坎德拉、摩尔7 个基本单位,其他各种单位则由这7 个基本单位导出。2第4页,共35页,编辑于2022年,星期六一、一、计量基准的变迁计量基准的变迁1.31.3、国际单位制、国际单位制7 7个基本单位个基本单位3第5页,共35页,编辑于2022年,星期六 20 世纪50 年代以前,计量基准的量值一般是由实物基准所保存及复现的。这种实物基准一般是根据经典物理学的原理,用某种特别稳定的实物来实现,而且总是用工业界所能提供的最好的材料及工艺制成,以保证其稳定性。v千克砝码原器就是用铂铱合金制成的一个圆柱体。vX 型铂铱合金米尺两条刻线间距定义为长度单位米。v电学实物基准是保存在国际计量局的饱和
4、式韦斯顿标准电池组。v一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位。一、一、计量基准的变迁计量基准的变迁1.1.4 4计量基准的实物标准计量基准的实物标准4第6页,共35页,编辑于2022年,星期六随着科技及工农业的发展,这样的传统计量量值传递检定系统开始反映出下列的不足之处:v实物基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的量值也会有所改变。v最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套,一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏,无法完全一模一样地复制出来,原来连续保存的单位量值也会因之中断。v量值传递检定系统庞大繁杂,从最高等级的实物基准到具体应用场
5、所,量值要经过多次传递,准确度也必然会有所下降。一、一、计量基准的变迁计量基准的变迁1.51.5、实物基准的不足之处、实物基准的不足之处5第7页,共35页,编辑于2022年,星期六 从20 世纪初开始,人们对光辐射以及原子、分子等微观粒子的运动规律进行了一系列的研究。v普朗克在1900年提出了能量子假说(基于黑体辐射),给出了著名的普朗克公式0=h.v爱因斯坦随后提出光量子假说(基于电磁辐射)。v德布罗意进一步提出像分子、原子、电子这样的实物微粒也具有波粒二象性。v海森伯提出关于微观粒子波动和离子之间不确定关系式Eth/2。一、一、计量基准的变迁计量基准的变迁1.61.6、量子基准的建立、量子
6、基准的建立6第8页,共35页,编辑于2022年,星期六 这一些列的研究推动了计量基准的建立由宏观层面转向微观层面。量子基准的特点是即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化,也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程,微观粒子量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生,因而使计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。于是,一系列基于量子跃迁现象的量子基准得以建立。v第一个付诸实用的量子计量基准是1960 年国际计量大会通过采用的Kr-86光波长度基准。v第二个量子计量基准,也是最著名和最成功的一种量子计量基准,是1967 年在国际上正式启用的铯原子钟。一、一、计量基准的变迁计量基准
7、的变迁7第9页,共35页,编辑于2022年,星期六 基本物理常数:是物理领域的一些普适常数,主要是指原子物理学中常用的一些常数。它们不随时间、地点或环境条件的影响而变化。最基本的有真空中光速,普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量me和阿伏伽德罗常数NA等。基本物理常数共有30多个,加上其组合量则有4050个,它们之间有着深刻的联系,并不是彼此独立的。二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立2.12.1、基本物理常数、基本物理常数8第10页,共35页,编辑于2022年,星期六上述根据某种微粒子量子跃迁现象而得出的量子基准还有其局限性,主要反映在它依赖于某一种原子的特定量
8、子跃迁过程,如果后来又发现了别的更准确的量子跃迁过程,就会出现修改单位定义的问题,因此从上世纪八十年代起,人们又不断探讨另一种更好的方法,即用基本物理常数来作为计量基准的方法。这种定义的特点表现在,今后随着实验技术的提高,计量单位的准确度可不断改进而无需改动其定义。v例:国际计量委员会于1982 年决定把长度单位米的定义改为“米是光在真空中1/299 792 458 秒时间间隔内所行进的路程的长度”。二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立2.22.2、基本物理常数作为计量基准、基本物理常数作为计量基准9第11页,共35页,编辑于2022年,星期六与量子基准建立有关的基
9、本物理常数有:v真空中光速v普朗克常数hv基本电荷ev玻耳兹曼常量kv阿伏伽德罗常数NA二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立2.32.3、量子基准建立有关的基本物理常数、量子基准建立有关的基本物理常数10第12页,共35页,编辑于2022年,星期六以上基本物理常数的产生也说明了基本物理常数与物理学的发展密切相关,一些重大物理现象的发现和物理新理论的创立,均与基本物理常数有密切联系。例如,电子的发现是通过对电子荷质比(e/m)的测定而确定的。普朗克建立量子论的同时,提出了普朗克常数。光速是四个准确的基本常数之一,它也是狭义相对论成立的基础。二、基本物理常数与量子基准的
10、建立二、基本物理常数与量子基准的建立11第13页,共35页,编辑于2022年,星期六由于基本常数领域中工作的不断进展,常数数值也会不断更新。为了在全球使用同一标准,1966年国际科协联合会成立了科学技术数据委员会(the Committee on Data for Science and Technology,简称CODATA)。CODATA于1969年设立了基本常数任务组,其任务是定期提供基本常数值。CODATA 在1973年、1986年两次推荐了基本常数值,后者的精度比前者平均约提高了一个数量级。自1998年开始,CODATA 每四年提供一次最新的基本常数值,即1998年、2002年、20
11、06年先后三次推出了最新基本常数。二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立2.32.3、基本物理常数的统一和修正、基本物理常数的统一和修正12第14页,共35页,编辑于2022年,星期六二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立13第15页,共35页,编辑于2022年,星期六在常数的数据处理中,多年来国际上一直采用最小二乘法平差来得出常数的一组最佳值。用这种方法可尽量减少常数最佳值的偶然误差,但并不能消除测量中的系统误差。近年来,根据天文和地球物理的观测资料,一些物理学家提出了基本物理常数可能随时间变化的理论推测。这些推测可能有助于推动物理学家和计
12、量学家去对基本物理常数进行更精密的实验测量。但迄今为止,上述理论推测的论点还是不充分的,实验上也没有能够证实基本物理常数有随时间的变化。二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立14第16页,共35页,编辑于2022年,星期六频率量是当今人类所有测量中最准确计量的物理量,不确定度已达到10-15 量级,甚至向更小的量级发展。根据这一点,如以频率为主单位,再配以一定的基本物理常数,即可构成新的单位制体系,这是以基本物理常数为基础的直接利用量子效应来建立计量基准的思想基础。时间频率量子基准基于的原理是:由于铯-133 的能级十分稳定,利用铯-133 原子基态两个超精细能级间跃
13、迁相对应的辐射的9 192 631 770 个周期的持续时间。其特点是高度的可靠性和可复制性。二、基本物理常数与量子基准的建立二、基本物理常数与量子基准的建立2.4 2.4、基本物理常数和时间量子基准、基本物理常数和时间量子基准15第17页,共35页,编辑于2022年,星期六2.52.5、基本物理常数和长度单位的量子基准、基本物理常数和长度单位的量子基准长度单位米的计量基准随着计量科学技术的发展,经历了由实物基准氪-86光波长度基准(米的第一代量子基准)与基本物理常数相联系的633nm氦氖激光波长基准(米的第二代量子基准)的变革过程。第二代量子基准“米”的定义方程是利用光波长入与光速C 之间的
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