选修在用油膜法估测分子的大小"实验中,我们做了些理想化处理,认为油酸分子之间无间隙,油酸膜为单层分子.压强与热力学温度成正比,必须是一定量的理想气体.温度是分子平均动能的量度.非晶体和多晶体是物理性质各向同性的.液体的表面张力是由于液体分子间的相互作用引起的.温度升高时,液体分子的平均动能增大,单位时间里从液面飞出的分子数增多,质量增大.在运动过程中有能量损失,为不可逆过程.由受力分析可知,气体膨胀过程中气体的压强不变,气体对外做功,则由热力学第一定律可求得内能的变化;因压强不变,气体做等压变化,则可知体积与热力学温度成正比,即可得出图象.求出气体的质量,已知平均摩尔质量再求出摩尔数,最后求出分子数(选修)交通警通过发射超声波测量车速,利用了多普勒效应.电磁波的频率越高,它所能携带的信息量就越大,激光可以比无线电波传递更多的信息.单缝衍射中,缝越宽,衍射现象越不明显.地面上测得静止的直杆长为,则在沿杆方向高速飞行火箭中的人测得杆长应小于.简谐运动有往复性特点,从到的时间为四分之一周期,有周期可得圆频率数值,又由于从最大位移处计时,函数式为余弦质点此时刻沿运动,则知波沿方向传播.点此时的位移为,求出周期,写出振动方程.质点此时刻沿运动,经过第一次到达平衡位置,根据时间与周期的关系,由波形的平移法确定点的横坐标(选修)射线又叫伦琴射线,它是由原子内层电子跃迁时发射的波长很短的电磁波;处于能级的氢原子,能辐射出的光谱数为,衰变指原子核内的中子发生衰变,一个中子衰变为一个质子和一个电子,所以核电荷数,原子序数;放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身决定的,与外界的物理和化学状态无关.麦克斯韦预言了电磁波的存在,从而提出了光的电磁说;爱因斯坦为解释光电效应现象提出了光子说;汤姆生先提出原子的枣糕式模型;居里夫人发现了放射性元素钋和镭.典型的动量守恒题目,由题意知两车靠的最近的条件是速度相等,列出方程即可求解.列方程时注意速度的方向
解:.(选修模块),用油膜法估测分子的大小"实验中认为油酸分子之间无间隙,油酸膜为单层分子,所以可以认为油酸分子直径等于纯油酸体积除以相应油酸膜的面积,故正确.,没有确保是一定质量的理想气体,压强与热力学温度不一定成正比,故错误.,温度是气体分子平均动能的量度,气体分子的平均动能越大,温度越高,故错误.,多晶体的物理性质各向同性,所以不一定是非晶体,也有可能是多晶体,故错误.,液体间的作用力是由分子间的引力和斥力相互作用一起的,即分子作用力,故正确.,温度升高时,液体分子的平均动能增大,单位时间里从液面飞出的分子数增多,所以达到动态平衡后该饱和汽的质量增大,密度增大,压强也增大,故正确.,在运动过程中有能量损失,故为不可逆过程,故错误.故选由受力分析和做功分析知,在气体缓缓膨胀过程中,活塞与砝码的压力对气体做负功,大气压力也对气体做负功;外界对气体所做的功;根据热力学第一定律得:;故内能变化了:.气体做等压变化,则体积随热力学温度成正比变化,图所图所示:一只气球内气体的体积为,密度为,气体质量,平均摩尔质量为,所以气体的摩尔数,阿伏加德罗常数,所以这个气球内气体的分子个数.(选修),交通警通过发射超声波利用了多普勒效应测量车速.故错误.,电磁波的频率越高,它所能携带的信息量就越大,激光是可见光,其频率比无线电波高,则激光可以比无线电波传递更多的信息.故正确.,单缝衍射中,缝越宽,衍射现象越不明显.故错误.,根据相对论尺缩效应可知,地面上测得静止的直杆长为,在沿杆方向高速飞行火箭中的人测得杆长应小于.故正确.故选简谐运动有往复性特点,从到的时间为四分之一周期,有周期可得圆频率数值为,又由于从最大位移处计时函数式为余弦,振幅为,即,质点此时刻沿运动,则根据波形平移法判断可知波沿方向传播.由图读出波长为,则该波的周期为,则图中点的振动方程质点此时刻沿运动,经过第一次到达平衡位置,时间则波在时间内波传播的距离为,根据波形平移法得到,点的横坐标为..选修,射线是位于原子内层电子跃迁才能放出的波长较短的一种电磁波,而由原子核辐射的光子能量更高,故错误;,能级的氢原子,自发跃迁时发出条谱线,故正确;,衰变指原子核内的中子发生衰变,一个中子衰变为一个质子和一个电子,所以核电荷数,原子序数,故正确;,半衰期是由原子核内部自身决定的,与地球环境不同,故错误;故选. ,麦克斯韦根据他提出的电磁理论,认为光是一种电磁波,并预言了电磁波的存在,从而提出了光的电磁说,故正确.,爱因斯坦为解释光电效应现象提出了光子说,故错误.,汤姆生发现了电子,并首先提出原子的枣糕式模型,故错误.,居里夫人通过对天然放射性的研究,发现了放射性元素钋和镭.故错误.本题选错误的,故选. 两车最近时,两车的速度相等,设乙车的速度为正方向,则由动量守恒可知:代入数据可得:解得:答:.选修故内能变化:,等压过程图象为气体的分子个数.选修周期;振动方程的表达式为该波沿(选填"或")方向传播;图中点(坐标为的点)的振动方程;点的横坐标为..选修速度
本题全面考查了选修,和中的基础知识,这些知识大都需要平时的记忆和积累,在平时注意加强记忆和练习,提高知识的应用能力
4214@@3@@@@动量守恒定律@@@@@@282@@Physics@@Senior@@$282@@2@@@@动量@@@@@@56@@Physics@@Senior@@$56@@1@@@@力学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4150@@3@@@@物理学史@@@@@@278@@Physics@@Senior@@$278@@2@@@@运动的描述@@@@@@56@@Physics@@Senior@@$56@@1@@@@力学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4229@@3@@@@机械能守恒定律@@@@@@283@@Physics@@Senior@@$283@@2@@@@机械能@@@@@@56@@Physics@@Senior@@$56@@1@@@@力学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4234@@3@@@@简谐运动的振幅、周期和频率@@@@@@284@@Physics@@Senior@@$284@@2@@@@机械振动@@@@@@56@@Physics@@Senior@@$56@@1@@@@力学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4281@@3@@@@晶体和非晶体@@@@@@286@@Physics@@Senior@@$286@@2@@@@固体、液体和气体@@@@@@57@@Physics@@Senior@@$57@@1@@@@热学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4288@@3@@@@理想气体的状态方程@@@@@@286@@Physics@@Senior@@$286@@2@@@@固体、液体和气体@@@@@@57@@Physics@@Senior@@$57@@1@@@@热学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4299@@3@@@@封闭气体压强@@@@@@286@@Physics@@Senior@@$286@@2@@@@固体、液体和气体@@@@@@57@@Physics@@Senior@@$57@@1@@@@热学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4417@@3@@@@横波的图象@@@@@@292@@Physics@@Senior@@$292@@2@@@@机械波@@@@@@58@@Physics@@Senior@@$58@@1@@@@电磁学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4418@@3@@@@波长、频率和波速的关系@@@@@@292@@Physics@@Senior@@$292@@2@@@@机械波@@@@@@58@@Physics@@Senior@@$58@@1@@@@电磁学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4428@@3@@@@电磁波的产生@@@@@@293@@Physics@@Senior@@$293@@2@@@@电磁场、电磁波及电磁技术@@@@@@58@@Physics@@Senior@@$58@@1@@@@电磁学@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@$4486@@3@@@@氢原子的能级公式和跃迁@@@@@@296@@Physics@@Senior@@$296@@2@@@@原子、原子核与核技术@@@@@@60@@Physics@@Senior@@$60@@1@@@@原子物理学与相对论@@@@@@8@@Physics@@Senior@@$8@@0@@@@高中物理@@@@@@-1@@Physics@@Senior@@
@@56@@8##@@56@@8##@@56@@8##@@56@@8##@@57@@8##@@57@@8##@@57@@8##@@58@@8##@@58@@8##@@58@@8##@@60@@8
第四大题，第1小题
求解答 学习搜索引擎 | A.选修3-3(1)有以下说法:其中正确的是___.A."用油膜法估测分子的大小"实验中油酸分子直径等于纯油酸体积除以相应油酸膜的面积B.理想气体在体积不变的情况下,压强p与热力学温度T成正比C.气体分子的平均动能越大,气体的压强就越大D.物理性质各向同性的一定是非晶体E.液体的表面张力是由于液体分子间的相互作用引起的F.控制液面上方饱和汽的体积不变,升高温度,则达到动态平衡后该饱和汽的质量增大,密度增大,压强也增大G.让一小球沿碗的圆弧型内壁来回滚动,小球的运动是可逆过程(2)如图甲所示,用面积为S的活塞在汽缸内封闭着一定质量的空气,活塞上放一砝码,活塞和砝码的总质量为m,现对汽缸缓缓加热使汽缸内的空气温度从{{T}_{I}}升高到{{T}_{2}},且空气柱的高度增加了\Delta l,已知加热时气体吸收的热量为Q,外界大气压强为{{p}_{0}},问此过程中被封闭气体的内能变化了多少?请在下面的图乙的V-T图上大致作出该过程的图象(包括在图象上标出过程的方向).(3)一只气球内气体的体积为2L,密度为3kg/立方米,平均摩尔质量为15g/mol,阿伏加德罗常数{{N}_{A}}=6.02×{{10}^{23}}mo{{l}^{-1}},试估算这个气球内气体的分子个数.B.(选修模块3-4)(1)下列说法中正确的是___A.交通警通过发射超声波测量车速,利用了波的干涉原理B.电磁波的频率越高,它所能携带的信息量就越大,所以激光可以比无线电波传递更多的信息C.单缝衍射中,缝越宽,条纹越亮,衍射现象也越明显D.地面上测得静止的直杆长为L,则在沿杆方向高速飞行火箭中的人测得杆长应小于L(2)如图所示,一弹簧振子在MN间沿光滑水平杆做简谐运动,坐标原点O为平衡位置,MN=8cm.从小球经过图中N点时开始计时,到第一次经过O点的时间为0.2s,则小球的振动周期为___s,振动方程的表达式为x=___(3)一列简谐横波在t=0时刻的波形如图所示,质点P此时刻沿-y运动,经过0.1s第一次到达平衡位置,波速为5m/s,那么:\textcircled{1}该波沿___(选填"+{x}''或"-{x}'')方向传播;\textcircled{2}图中Q点(坐标为x=7.5m的点)的振动方程y=___\textcircled{3}P点的横坐标为x=___m.C.选修3-5(1)下列说法中正确的是___A.X射线是处于激发态的原子核辐射出的方向与线圈中电流流向相同kB.一群处于n=3能级激发态的氢原子,自发跃迁时能发出3种不同频率的光C.放射性元素发生一次β衰变,原子序数增加1D{{.}^{235}}U的半衰期约为7亿年,随地球环境的变化,半衰期可能变短(2)下列叙述中不符合物理学史的是___A.麦克斯韦提出了光的电磁说B.爱因斯坦为解释光的干涉现象提出了光子说C.汤姆生发现了电子,并首先提出原子的核式结构模型D.贝克勒尔通过对天然放射性的研究,发现了放射性元素钋(Pa)和镭(Ra)(3)两磁铁各固定放在一辆小车上,小车能在水平面上无摩擦地沿同一直线运动.已知甲车和磁铁的总质量为0.5kg,乙车和磁铁的总质量为1.0kg.两磁铁的N极相对.推动一下,使两车相向运动.某时刻甲的速率为2m/s,乙的速率为3m/s,方向与甲相反.两车运动过程中始终未相碰,则两车最近时,乙的速度为多大?&>&&>&物理学常数的讨论
物理学常数的讨论 投稿：莫倒倓
第28卷 第4期2007年10月 计 量 学 报ACTA METROLOGICA SINICAVol.28,l4 October,2007阿伏加德罗常数测定的新进展易 洪(中国计量科学研究院,北京 100013)摘要:准确测定阿伏加德罗常数是实现用原…
第十四周 总第五十二课时8、看菊花 第一课时 教学内容：九年义务教育六年小学语文第一册第八课。 教学目标：1、 能正确、流利、有感情地朗课文，会背诵第二、三两个自然段。2、 复习巩固汉语拼音，学会14个生字，其中5个只识不写。理解由生字组成的词语，认…
2012年全国英语高考（新课标卷）试题分析（不含听力） 2012年的高考结束了，但更多的学生会面对这套试题，下面我们从各个题目的答案分析和构成看一看这套试卷吧。正如本人和很多同仁预料的那样，2012年高考的全国课标英语卷会稍难于2011年，但是难度加…
第28卷 第4期2007年10月 计
报ACTA METROLOGICA SINICAVol.28,l4 October,2007
阿伏加德罗常数测定的新进展
(中国计量科学研究院,北京 100013)
摘要:准确测定阿伏加德罗常数是实现用原子质量重新定义质量单位kg的有效途径。介绍了阿伏加德罗常数测定的历史、进展和前景。阿伏加德罗常数是联系宏观世界和微观世界的桥梁,是科学研究的前沿。测定阿伏加德罗常数利用了单晶硅晶体的结构周期性和完整性,促进了原子量精密测量技术、密度精密测量技术、纳米量级精密测量技术以及材料制备和表征技术的发展。
关键词:计量学;阿伏加德罗常数;摩尔;单晶硅;原子量;晶格常数
中图分类号:TB91
文献标识码:A
文章编号:07)04-0394-06
NewProgressintheDeterminationofAvogadroConstant
(NationalInstituteofMetrology,Beijing100013,China)
Abstract:TodeterminetheAvogadroconstantisanapprochtoarriveatanexperimentalredefinitionofkilogramintermsofatomicmasses.Thehistory,progressandtrendofdeterminatingAvogadroconstantarereported.Avogadroconstantisabridgebe-tweenthemicroscopicscaleandthemacroscopicscale,andisalsoafrontiertopicofscientificresearch.Intheprocessofthede-terminationofAvogadroconstant,peoplemakeuseoftheperiodicityandperfectionofthestructureofthesiliconsinglecrystal,andcanimproveatomicweightmeasurement,soliddensitymeasurement,nano-levelmeasurement,aswellaspreparationandcharacterizationofsiliconcrystalatthehighestaccuracy.
Keywords:MAMSALatticeconstant
题。对于在原子、分子层次和量子水平上研究和解
阿伏加德罗常数是一个基本物理常数,它是一个摩尔物质所包含的实物粒子个数。阿伏加德罗常数在数值上与0.012kg基态碳-12的原子数目相等,因此测定了阿伏加德罗常数即复现了摩尔。测定阿伏加德罗常数就是要准确确定一定质量物质所包含的原子个数。这是一个极富挑战性的课题,也是实现用原子质量重新定义千克的一个有效途径
决计量基标准问题十分重要。摩尔是国际单位制7个基本单位之一。国际计量大会建议各国国家实验室进行这方面的实验努力,力争在2011年实现质量单位千克等基本单位的重新定义
在研究准确测定阿伏加德罗常数的过程中,可带动一大批相关尖端高新测量技术的发展。例如纳米量级精密测量技术的研究、纳米量级超精密加工技术、原子量精密测量技术的研究、体积和密度精密测量技术的研究和材料制备及表征技术等。这对于建立和完善我国有关量值的计量基标准体系、增强科技竞争力、培养科研人才有着十分重要的意义。
阿伏加德罗常数是联系宏观世界和微观世界的桥梁,它的测定已经成为现代物理化学领域的前沿课
收稿日期:;修回日期:
作者简介:易洪(1962-),男,江西南昌人,中国计量科学研究院副研究员。主要从事物理化学量的测量研究。
第28卷 第4期易 洪:阿伏加德罗常数测定的新进展395
(8)早期X射线晶体密度法
2 阿伏加德罗常数测定历史沿革
1811年阿伏加德罗为了解释原子的反应,提出了如下假设:在相同的温度和压力下等体积的气体含有相同数量的分子数,并且明确了分子的概念,该假设提供了单个原子或分子性质与宏观物质特性的联系。测定阿伏加德罗常数的方法
早期用X射线晶体密度法
测定阿伏加德罗
常数时,是采用静压法测量密度,X射线衍射测量晶格常数。X射线波长是提高准确度的限制因素,之后,材料密度和摩尔质量成为提高测量准确度的限制因素。Bearden先使用方解石做材料,但后来发现方解石密度有很大变化,因此使用Ge和Si等其它材料。当要求测量准确度达到10@10时,材料的化学纯度就成为主要问题。Bearden测定的阿伏加德罗常数为NA=6.019@10mol。
20世纪70年代前用X射线晶体密度法确定的阿伏加德罗常数准确度大约为70@10,这一结果足以显示由密立根导出的电子电荷的误差达0.2%。X射线晶体密度法测定取得的突破之一是在1974年由R.D.Deslattes采用X射线光学组合干涉仪(COXI)方法取得的。
从上世纪70年代以前测量阿伏加德罗常数活动可以看出,准确测量阿伏加德罗常数利用了原子分子的多种特性和当时测量的最新技术,测量过程增进了人们对物质世界的理解,加快了新测量技术的发展。比较同一个基本物理常数的不同实验方法,还可以了解考察基础物理理论的自洽性。
测量原理是根据原子或分子的微观性质和由大量原子或分子组成物质表现出的宏观性质之间的因果关系实现的。测量方法如下:
(1)气体运动论方法
首先估算阿伏加德罗常数的是Loschmidt,他是根据气体分子运动论来确定阿伏加德罗常数,由分子本身的体积和分子平均自由程推算出阿伏加德罗常数NA=4.1@10mol。
(2)布朗运动方法
布朗运动表明了液体分子的运动,根据分子的布朗运动,Perrin测定的阿伏加德罗常数为NA=7.05@10mol。
(3)电子电荷方法
测量电子电荷,可以通过法拉第常数F计算出阿伏加德罗常数为NA=FPe=6.064@10mol。
(4)黑体辐射方法
通过黑体辐射可确定波尔兹曼常数k,从波尔兹曼常数k和气体通用常数R,可获得阿伏加德罗常数为NA=RPk=6.175@10mol。
(5)A粒子计数方法
Rutherford和Geiger对镭源放射A粒子进行计数,他们测量出镭元素放射A粒子数的剂量为3.4@10个Pg#s,对单个原子进行逐个计数显然提供了确定阿伏加德罗常数的方法,由此导出阿伏加德罗常数为NA=6.1@10mol。
(6)平差方法
平差是调查了解物理理论自洽性最好的方法,Birge对不同方法得出的阿伏加德罗常数实验结果进行平差,优化得到阿伏加德罗常数NA=6.054@10mol。
(7)单分子膜层方法
Nuoy使用单分子膜层测出阿伏加德罗常数为NA=6.004@10mol。
3 现代X射线晶体密度法
311 现代X射线晶体密度法(XRCD)
现代X射线晶体密度法
主要是指采用完
整单晶硅球直接测量硅球的体积,采用COXI方法测量硅的晶格常数,校准气体质谱法准确测定硅原子量,从而确定阿伏加德罗常数NA的方法。
测量原理为:测量单晶硅球的摩尔体积Vm与单个硅原子体积Va之比,即
NA=VmPVa=n#M/(Q#V)
其中:n为单胞中的原子个数;M为单晶硅的摩尔质量;Q为单晶硅的密度;V为单胞体积。
理论上,只要能准确测量单晶硅的原子量(在数值上等于单晶硅的摩尔质量)、单晶硅球的密度(单晶硅球的体积和质量)和单胞的体积(晶格常数),就能求出阿伏加德罗常数。从技术上来说,采用X射线晶体密度法测定阿伏加德罗常数,首先需要制备完整的单晶硅,并加工成尽可能圆的单晶硅球。然
396计量学报2007年10月
后,对硅球的直径及外表面的氧化层和污染物进行准确测量以确定硅球的体积和密度。准确测定单晶硅的原子量和晶格常数,还必须测定单晶硅的缺陷、杂质浓度,并将样品的晶格常数和硅球密度测量结果外推到无杂质、无缺陷的理想单晶硅和22.5e、0Pa标准条件下的结果。在进行不确定度评定时要考虑单晶硅材料的不均匀性引起的不确定度。
通过阿伏加德罗常数可以直接将宏观物理量和微观物理量联系起来。若阿伏加德罗常数NA测量相对不确定度达到1@10,就有理由以一定数量的原子重新定义质量单位千克,替代目前唯一使用的人造实物基本单位千克原器。
312 功率天平法
采用功率天平(wattbalance)法测定普朗克常数h。通过普朗克常数和阿伏加德罗常数之间的关系,确定阿伏加德罗常数。功率天平法的原理是利用重力和电磁力的平衡,即天平的一端是质量为m的物体,由它产生的重力mg与另一端的一个电磁力进行平衡,由此测定普朗克常数,进而确定阿伏加德罗常数。
X射线晶体密度确定阿伏加德罗常数的方法和用功率天平确定普朗克常数的方法是两种主要实现重新定义kg的途径,目前这两种方法的差异为1@-6[3]10。
鉴于这种情况,Quinn等人建议把kg的重新定义与kg的复现区分开来,将kg的定义和kg的复现分别实现。从事功率天平的研究的主要有NPL(英国)、NIST(美国)、METAS(瑞士)、BNM(法国)等几个国家实验室,2005年10月NIST在功率天平的研究中取得重大进展,据报道,他们测量结果的不确
定度达到5@10量级。如果这个结果得到其它几个实验室的确认,即可用普朗克常数来重新定义kg。1994年以来国际上成立了阿伏加德罗常数工作
组,负责组织协调阿伏加德罗常数的测定工作。参加的国家有德国(PTB)、美国(NIST)、意大利(IMGC)、澳大利亚(CSIRO)、日本(NMIJ)、英国(NPL)、比利时(IRMM)和BIPM。由德国负责硅材料的制备,澳大利亚负责硅球的加工制作,比利时负责摩尔质量的测量,意大利负责晶体常数测量,日本负责硅球密度测量,英国负责硅球表面表征及测量,BIPM负责质量测量。
需要指出的是只有摩尔质量是由IRMM(比利时)一家实验室承担,其它参数测量均有两个以上国[1,3]
313 阿伏加德罗常数测定的新进展(X射线晶体密
31311 硅球密度测量
国际阿伏加德罗常数工作组采用X射线晶体密度法:选取杂质和缺陷较少的FZ单晶硅,加工制作成标称直径为93.6mm的1kg单晶硅球,加工圆度达到50nm。用红外光谱和能谱法等分析技术研究单晶硅材料的杂质含量和缺陷,表面氧化物成分和价态。用椭偏仪测量单晶硅表面氧化层厚度。硅球的密度测量包括单晶硅球表面的表征和硅
球直径的测量。用静压法或压浮法比较评价不同硅球的密度,从而了解硅球的缺陷和杂质情况以及单晶硅球缺陷与硅球密度的关系。为了获得1
@10的体积不确定度,直径测量必须精确到0.6nm,即在一个原子间距内,如此高的准确度,对于硅球的加工设备和测量设备都有特殊要求。硅球的直经是用Fabry-Perot标准具和激光干涉仪测量,这种测量对很多环境参数敏感,如温度、压力和大气成分等。因此,必须在控制的环境条件下进行测量。对于诸如氧化物层等表面杂质还必须作校正。仪
单晶硅球直径的测量采用Fabry-Perot干涉,见图1,其基本原理为:利用不同频率激光器
的干涉条纹精确计算总干涉级次N,利用对Fabry-Perot标准具的位移扫描确定干涉级小数E,单晶硅球直径为
D=L-d1-d2=(N+E)K2AP
其中:KA为激光波长,d1、d2为硅球表面到标准腔的距离。
测量过程中,硅球直径测量的三维球体旋转系统能扫过整个球面,硅球直径测量室的温控系统和真空系统达到实验要求。3.3.2 晶格常数的测量
晶格常数用X射线光学组合干涉仪(COXI)
测量,测量结果的不确定度可达到1@10。该技术可用于纳米尺度的精密工程测量。
X射线光学组合干涉仪的工作原理是用硅晶体作为X射线的衍射光栅,将3块单晶硅片平行放置,入射X射线在第一块硅片后产生衍射,其光束分为两路,经第二块硅片再次衍射,在第三块硅片上光束汇合,产生干涉并形成干涉条纹。当第三块硅片沿垂直X射线方向移动一个Si(220)晶面间距时,干涉信号变化一个周期。反过来,通过光学干涉仪测量第三块硅片沿垂直X射线方向移动的距离s,同时
第28卷 第4期易 洪:阿伏加德罗常数测定的新进展
d220=sPn。其结果独立于X射线波长,溯源于光学干涉仪波长。0.2nm大小的晶面间距d220测量不确
定度达到1@10,见表1。激光光束的准直和温度是影响晶面间距d220
测量结果的主要因素。
图1 扫描干涉仪法测量硅球直径[12]
表1 晶面间距[2,14]
实验室PTBIMGCNRLMCODATAIMGCIMGC-NMIJNMIJ
NRLMPPTBPIMGCPIRMM
MO*4NRLM3NRLM3干涉仪WASO4.2AMO*4NRLM3
192.)192.)192.)干涉仪法d220Ppm192.)192.)192.)
理想晶体d220Ppm192.)192.)192.)192.)192.)192.)192.)192.)
注1:在22.5e、0Pa下,自然丰度硅单晶体。注2:CODATA为国际科学协会下设机构科学技术数据委员会
3.3.3 硅原子量测定
硅原子量是用校准质谱法测定
比的各项参数和条件。从气体样品制备和进样特点
等方面研究减少分馏效应、质量歧视效应造成的系统误差,降低仪器本底和记忆效应等引起的测量误差,从而获得高准确度的同位素丰度比测量结果。2005年4月,国际阿伏加德罗常数工作组报道了
对确定阿伏加德罗常数涉及参数的最新测量结果。
(1)单晶硅球密度的测量结果,见表2。
表2 在22.500e和0Pa下,对所含杂质修正后的密度样品NRLM4-S6NRLM4-S7NRLM4-A1-2-1NRLM4-A4-2-1WASO04-AVO#1
密度QpurePkg#m-(175)(195)(223)(218)(210)
硅有3个同位素,它们是Si、Si、Si。每个硅同位素的原子质量已经有国际公认值,硅的3个同位素Si、Si、Si的原子质量测量结果的不确定度都优于1@10,因此,自然条件下硅的原子量的测定取决于硅同位素丰度的测量。目前单晶硅原子量的测量不确定度只能达到2@10量级
伏加德罗常数准确测定的主要障碍之一。为了提高硅原子量的测量不确定度,国际阿伏加德罗常数工作组准备采用丰度为99.95%的Si浓缩单晶硅替代自然丰度的单晶硅。
校准质谱法准确测定硅原子量是通过用气体质谱法测量SiF4气体样品硅同位素丰度比来实现的
398计量学报2007年10月
各单晶硅材料的硅球密度测量不确定度为9@10。
(2)单晶硅摩尔质量的测量结果,见表3。
表3 摩尔质量
样品NRLM4-S6NRLM4-S7NRLM4-A1-2-1NRLM4-A4-2-1WASO04-AVO#1
摩尔质量MPg#mol-128.)28.)28.)28.)28.)
[4,7~9,20]
。考虑到硅单晶材料的组成和结构对测
量阿伏加德罗常数的影响有:应尽可能制备出缺陷少、杂质少并且结构完整的硅单晶体,在硅球大小的范围考核晶格的周期性、缺陷和杂质含量。研究完整硅单晶体的制备和表征技术。
表4 阿伏加德罗常数值(单晶硅球法)[2,8]
实验室PTBPIRMMIMGCPIRMMPPTB
不确定度P@00.60.00.0000018
NRLMPPTBPIMGCPIRMM1997NRLMPIRMM
单晶硅材料的摩尔质量测量不确定度为2@10。
(3)摩尔体积的测量结果:
MPQ(Si)=12.)cm#mol单晶硅材料的摩尔体积测量不确定度为3@10。
(4)晶面间距d220的测量结果:
d220(Si)=192.)pm
单晶硅材料的晶面间距d220测量不确定度为4@10。
(5)阿伏伽德罗常数的测量结果
NA=6.)@10mol
NRLMPPTBPIMGCPIRMM9NMLPIRMMPIMGCNMIJPIRMM
NRLMPPTBPIMGCPIRMM3
根据定义,阿伏加德罗常数是指0.012kg碳-12所包含的自由基态碳原子数目。对于宏观物体,由于原子间存在相互作用,所以必须考虑原子间结合能对质量的影响。硅晶体中原子间结合能主要是基
体内的硅-硅化学键能和表面氧化层的硅-氧化学键能以及氧化层表面能。每个硅原子的平均结合能约为5eV,根据爱因斯坦能质关系,化学键结合能和表面能引起的质量亏损为10
测量不确定度在3@10范围内。
由于确定阿伏加德罗常数的X射线晶体密度法和功率天平法,两者相差为1@10,说明这两种方法存在系统误差,需要更准确、更新的实验数据来解决测量结果不一致的问题。我们认为重点是要解决单晶硅摩尔质量测量不确定度较大,并且该量值只有一家实验室测量,因此无法发现系统误差的问题。硅球密度的测量也需要减小测量不确定度。过去的十年中阿伏加德罗常数的测量不确定度减小了近一个数量级,见表4。测量阿伏加德罗常数的努力导致了长度测量范围扩展到fm量级,改进了密度计量标准和化学计量标准。
,可以忽略不计。所以
对硅球材料,硅原子间相互作用力(结合力和表面张力)对硅球的质量的影响可以忽略。
在硅原子量测量方面,为了减少硅同位素丰度的测量误差对硅原子量的影响,国际阿伏加德罗常数工作组准备采用高浓缩的Si做材料
丰度的硅原子量测量方面,我国国土资源部同位素重点实验室丁悌平研究员领导的研究组,优化和改进硅原子量的测量方法,研究硅同位素测试技术与分馏机制,采用新的测试技术和流程,重新测定出标准物质,即美国标准和技术研究院制备的硅同位素标准物质(NBS-28)的硅原子量为28.08653,比欧盟参考物质及测量研究所原先报道的数值重0.001。该成果在2005年8月召开的/同位素丰度与原子量测定及其应用国际学术讨论会0上进行报告,国际地球化学权威学术刊物5宇宙化学和地球化学学报6已发表了该论文。如果单晶硅的原子量被赋予新值,阿伏加德罗常数必然改变。近年来我国也着手[18,21~23]
4 阿伏加德罗常数测定的前景展望
多年来X射线晶体密度法测定阿伏加德罗常数工作的关注点集中在真实的硅单晶体离理想状态硅单晶体有多远,目前广泛接受的观点是,当晶体残存的缺陷和杂质被扣除后,在一定的温度、压力下,硅积
第28卷 第4期易 洪:阿伏加德罗常数测定的新进展399
采用离子累积法测量阿伏加德罗常数的工作也值得人们关注。离子累积实验涉及带电原子(例如金离子)累积到一定质量后,用石英微量天平称量,原子数由离子电流和累积通过的时间确定,进而确
定阿伏加德罗常数。离子累积法目前达到的测量不确定度为10。对于离子累积法,人们还在改进离子检测和计数技术。
一些有望用X射线晶体密度法和离子累积法测定阿伏加德罗常数的新材料开始引起了人们的注意,例如,原子簇和富勒烯(C60、C70),还有蛋白质生物分子材料等,这些新材料必须满足以下要求:更容易确定材料的组成和结构,有更少缺陷和杂质或者人们能更容易对这些材料原子进行计数。在2005年94届国际度量衡大会上采纳了一项建议,准备重新定义千克、安培、开尔文和摩尔,以便使这些基本单位和已知基本物理常数值相联系。Mills等人提议在新定义中将普朗克常数、基本电荷量、玻耳兹曼常数和阿伏加德罗常数分别与这些基
本单位对应。准确的基本物理常数可提供复现和不变的测量单位系统,为科学研究、技术发展和日常生活提供基本测量单位。
致谢:作者感谢童光球研究员对测定阿伏加德罗常数工作给予的指导和帮助,感谢张钟华院士的指教并提供基本物理常数国际动态的资料,使作者能了解跟踪相关基本物理常数的最新发展情况。感谢方向、赵墨田、丁悌平、罗志勇研究员对阿伏加德罗常数测量技术进行的有益讨论。
[1] MillsIM,etal.Redefinitionofthekilogram,Ampere,
Kelvin,andmole:aproposedapproachtoimplementingCIPMrecommendation1(CI-2005)[J],Metrologia,~246.
[2] FujiiK,etal.PresentStateoftheAvogadroConstantDeter-minationfromSiliconCrystalswithNaturalIsotopicCompos-itions[J].IEEETransonIM.):854~859.[3] MillsIM,etal.Redefinitionofthekilogram:adecision
whosetimehascome[J].Metrologia,~80.[4] BrownR,MiltonM.Towardsanimproveddeterminationof
theAvogadroconstant[R].NPLReport,COAM17,2003,[5] BeckerP.Historyandprogressintheaccuratedetermination
oftheAvogadroconstant[J].RepProgPhys,5~2008.
[6] MurrellJN.Avogadroandhisconstant[J].HelveticaChimi-caActa,):.[7]
BeckerP.Tracingthedefinitionofthekilogramtothe
Avogadroconstantusingasiliconsinglecrystal[J].Metrolo-gia,~375.
[8] KennyMJ,etal.Aweb-baseddatabasefortheinternational
programmetoimprovedtheAvogadroconstantalongthesil-iconroute[J].IEEETransonIM,):641~645.[9] BeckerP,etal.DeterminationoftheAvogadroconstantvia
thesiliconroute[J].Metrologia,~287.[10] SteinerRL,etal.Towardsanelectronickilogram:anim-provedmeasurementofthePlanckconstantandelectronmass[J].Metrologia,~441.
[11] BeckerP.DeterminationoftheAvogadroConstant[EB].
http:PPwww.ptb.dePenPorgP4P43P434Pindex-e.htm.[12] FujiiK.Presentstateofthesolidandliquiddensitystan-dards[J].Metrologia,~S15.
[13] FujiiK,etal1EvaluationoftheMolarVolumeofSilicon
CrystalsforaDeterminationoftheAvogadroConstant[J].IEEETransonIM,):646~651.
[14] CavagneroG,etal.MeasurementrepetitionsoftheSi(220)
latticespacing[J].Metrologia,~64.[15] DeBievreP,ValkiersS,PeiserHS,etal.Amoreaccu-ratevaluefortheAvogadroconstant[J].IEEETransonIM,):530~532.
[16] DeBievreP,LenaersG,MurphyTJ,etal.Thechemical
preparationandcharacterizationofspecimensfor/absolute0measurementsofthemolarmassofanelement,exemplifiedbysilicon,forredeterminationsoftheAvogadroconstant[J].Metrologia,~110.
[17] GonfiantiniR,DeBievreP,ValkiersS,etal.Measuring
themolarmassofsiliconforabetterAvogadroconstant:re-duceduncertainty[J].IEEETransonIM,):566~571.
[18] DingT,WanD,BaiR,ZhangZ,ShenY,MengR.Silicon
isotopeabundanceratiosandatomicweightsofNBS-28andotherreferencematerials[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,):.
[19] BulanovAD,DevyatychGG,GusevAV,etal.Thehighly
isotopicenriched(99.9%),high-pure28Sisinglecrystal[J].CrystResTechn,3~1287.
[20] GlaserM.Tracingtheatomicmassunittothekilogramby
ionaccumulation[J].Metrologia,~386.[21] 赵克功.更新计量基本单位[kg]定义的研究现状[J].
计量学报,):133~141.
[22] 罗志勇.质量自然基准的研究进展及发展方向[J].计
量学报,):138~141.
[23] 罗志勇,等.标准硅球直径精密测量系统的设计[J].
计量学报,):289~294.[24] 沈乃
,聂玉昕.基本物理常数1998年国际推荐值
[M].北京:中国计量出版社,2004.
第28卷 第4期2007年10月 计 量 学 报ACTA METROLOGICA SINICAVol.28,l4 October,2007阿伏加德罗常数测定的新进展易 洪(中国计量科学研究院,北京 100013)摘要:准确测定阿伏加德罗常数是实现用原…
第28卷 第4期2007年10月 计 量 学 报ACTA METROLOGICA SINICAVol.28,l4 October,2007阿伏加德罗常数测定的新进展易 洪(中国计量科学研究院,北京 100013)摘要:准确测定阿伏加德罗常数是实现用原…
第28卷 第4期2007年10月 计 量 学 报ACTA METROLOGICA SINICAVol.28,l4 October,2007阿伏加德罗常数测定的新进展易 洪(中国计量科学研究院,北京 100013)摘要:准确测定阿伏加德罗常数是实现用原…
本文由()首发，转载请保留网址和出处！
免费下载文档：