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米
國際單位制的基本長度單位
國際單位制7個基本量之一
國際單位制中的長度單位，符號m。當真空中光速c以單位ms表示時，將其固定數(shù)值取為299792458來定義米，其中秒用Δv（Cs）定義。對于一般應用場合，新華字典對米的定義為：長度單位，符號m，1米等于10分米。
基本信息
中文名
米
英文名
meter
歷史上的長度單位
腕尺是一種古老的長度單位，它以人類手臂前臂的長度為標準。不同地區(qū)和時代的腕尺有所差異。例如：
英國歷史上也使用過類似于腕尺的長度單位，如英寸（inch）和英尺（foot），但它們也隨著君主和法規(guī)而變化。例如：
- 10世紀時，英國國王埃德加（Edgar）將一個拇指手指關節(jié)（thumb-joint） 的長度規(guī)定為1英寸（inch），約等于0.0254米；
- 14世紀時，英國國王愛德華二世（Edward II）將“三顆干燥圓形大麥粒首尾相連擺放時”的長度規(guī)定為1英寸（inch），12英寸（36大麥粒） 為1英尺（foot）；
- 1566年，英國頒布了一項新法規(guī)規(guī)定：“4顆大麥粒為一個指寬（finger-breadth）；4個指寬為一個手寬（hand-breadth）；4個手寬為一個掌心寬度或者說是一個掌心加上四個拇指寬度之和（palm or hand with thumb） ；3個掌心寬度或者說是3個掌心加上12個拇指寬度之和為一個小肘長或者說是一個肘長減去四個拇指之和 （small ell or ell minus four fingers） ；5個小肘長或者說是5個肘長減去20個拇指之和為一碼 （yard） ” ，這意味著64顆大麥粒口等于約等于16厘米或者說6.3 英寸。
古代中國，公元前16世紀至前11世紀的商代，1尺等于0.158米；公元前221年，秦始皇統(tǒng)一度量衡后，1尺等于0.231米；公元9年，王莽建立了古代計量標準器之一——新莽銅卡尺（也是世界上最早的游標卡尺），其長度為13.3厘米；公元1682年（康熙21年），清朝規(guī)定1尺等于0.32米。這里所說的“尺”即“市尺”。。
檔案米尺的誕生
隨著科學技術的進步，各國對長度單位的定義逐漸統(tǒng)一。18世紀末，人們開始放棄以人體、自然物體等為標準的原始長度單位，轉向科學化的度量方法。1790年，法國國民議會批準了法國科學院提出的“米制”方案。該方案規(guī)定以地球子午線長度的四千萬分之一為1m，并于1799年用鉑金制作了一根橫截面為（25.3×4.05）mm的矩形棒作為基準米尺。該米尺兩端之間的距離即為1m。這就是“檔案米尺”。
長度計量基準的演變
米原器
1872年，30個國家在巴黎舉行了國際米制委員會（The International Commission of the Meter）會議，決定以檔案米尺為參考標準，制造并分發(fā)米原器給各參會國。米原器由90%鉑和10%銥的合金制成，截面呈X形，以保證其穩(wěn)定性和耐變形性。
1889年，第一屆國際計量大會規(guī)定，以檔案米尺為模型制作的國際米原器取代檔案米尺，成為國際長度計量的基準。同時將米的定義改為：“米的長度等于在水的冰點溫度下，米原器兩端刻線間的距離。”其中6號米原器保存在巴黎的國際計量局（BIPM）。
1927年第7屆國際計量大會進一步明確規(guī)定了長度單位“米”的定義：即國際計量局保存的鉑銥尺上兩條中間刻線的軸線在0℃時的距離。該鉑銥尺被稱為長度計量基準“米原器”，其復現(xiàn)不確定度約為1.1×10。
實物量標準定義的‘米’存在許多問題。一方面，米原器有損壞和丟失的風險，另一方面，刻線工藝和測量方法不夠精確，導致米原器的不確定度只有士1.1×10（即士0.11um）。這樣的精度無法滿足現(xiàn)代科學技術的需求。因此，有必要用新的自然量標準來重新定義米。
Kr波長長度單位
1952年，國際計量委員會設立米定義咨詢委員會( 現(xiàn)稱為“長度咨詢委員會”)，研究新的米定義。物理學家發(fā)現(xiàn)原子結構中兩個固定能級之間的能量差是常數(shù)。當光的輻射頻率f和光速c一定時，它所產(chǎn)生的光波波長λ也是定值，即λ=c/f。因此，利用光波波長這一自然量標準來定義米，取代米原器的實物量標準非常具有優(yōu)勢。
1960年，研究取得成果：Kr原子橙黃譜線具有最窄和最對稱的輻射譜線，能在最小擾動下產(chǎn)生，并可用其他方法測量。這一單色光譜線的波長值只與其輻射頻率和真空中的光速有關。如果光速為定值，則波長就是不隨時間變化、可在任何時間、任何地點復現(xiàn)的值，適于作為新定義的自然量標準。
因此，在1960年第十一屆國際計量大會上通過了米的新定義：“米的長度等于Kr原子的2p10和5d5能級之間躍遷所對應的輻射在真空中的波長的1 650 763.73倍。”，其復現(xiàn)不確定度可以達到2.7×10。
激光波長長度單位
自1960年激光技術發(fā)展以來，激光具有方向性、單色性和光強度高等特點，使得它在測量長度時比SKr原子輻射譜線有著更大的優(yōu)勢。激光輻射光譜寬度極窄（可達0.0001m-1，相當于30kHz），即使光程差達數(shù)千米，也能看到清晰的干涉圖像，適合用干涉法測量長度。
為了穩(wěn)定激光頻率，科學家們采用了多種方法，如利用蘭姆凹陷、甲烷吸收、信號發(fā)生器與壓電陶瓷調制等。經(jīng)過多年努力，激光頻率的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性問題得以解決。1973年，米定義咨詢委員會建議用碘或甲烷飽和吸收穩(wěn)定的氦氖激光作為長度計量的副基準，其波長分別為682991398.1fm和3392231397.1m。1975年第十五屆國際計量大會采納了這一建議。1979年，米定義咨詢委員會又推薦用碘穩(wěn)定的0.612um氦氖激光和碘穩(wěn)定的0.515pm氬離子激光作為長度測量的參考波長或工作標準，它們的波長值分別為514 673466.2m和611970769.8fm2。
1984 年召開的國際計量大會上批準了米的新定義是：“米是光在真空中在(1/299 792458)s的時間間隔內所經(jīng)路徑的長度。”。這一定義利用了秒定義的高度準確性和固定的真空中光速值(c=λ/f=299 792 458 m/s)，使得長度計量基準的準確度進一步提高。
米的量子化定義
2018年11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）通過了《修訂國際單位制（SI）》的第一號決議。該決議規(guī)定了從2019年5月20日起生效新的國際單位制定義方法。根據(jù)新定義，質量、物質量、電流和溫度四個基本單位將由物理常數(shù)確定，而不再依賴于實物標準或經(jīng)驗公式。這樣一來，國際單位制的七個基本單位都將由七個自然常數(shù)定義。
這七個自然常數(shù)分別是：
- 銫-133原子不受干擾的基態(tài)超精細躍遷頻率：9 192 631 770 Hz；
- 真空中光速c：299 792 458 m/s；
- 普朗克常數(shù)h：6.626 070 15×10 J·s；
- 阿伏伽德羅常數(shù)NA：6.022 140 76×10 mol；
- 基本電荷e：1.602 176 634×10 C；
- 玻爾茲曼常數(shù)k：1.380 649×10 J/K；
- 單色輻射頻率為540×10 Hz時的光視效能Kcd：683 lm/W。
新定義生效后，國際單位制將完全量子化，并結束了實物標準的歷史。
因此根據(jù)新方法，米的定義為：“國際單位制中的長度單位，符號m。當真空中光速c以單位ms表示時，將其固定數(shù)值取為299792458來定義米，其中秒用Δv（Cs）定義。（The metre, symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458.when expressed in the unit m/s, where the second is defined in terms of ΔvCs.）”
米與數(shù)量級
為了方便單位換算，國際單位制引入了倍數(shù)單位的概念。倍數(shù)單位包括十進制的倍數(shù)和分數(shù)單位，由SI詞頭和SI基本單位組成。使用倍數(shù)單位可以擴大國際單位制的適用范圍，使其能夠適應各種場合和用途中量值大小的表達。
SI詞頭表示不同數(shù)量級的因子。它們是倍數(shù)單位的一部分，而不是獨立的數(shù)字或單位。它們只有加在基本單位前才有意義，并且不能重復使用。 加上SI詞頭后的基本單位稱為倍數(shù)單位，也叫十進制的倍數(shù)或分數(shù)單位。
下表中列出了用于構成十進倍數(shù)單位和分數(shù)單位的詞頭。
表1 十進倍數(shù)單位和分數(shù)單位的詞頭
中文詞頭 | 英文詞頭 | 符號 | 數(shù)量級 | 國際上啟用時間 |
堯 | yotta | Y | 10 | 1991 |
澤 | zetta | Z | 10 | 1991 |
艾 | exa | E | 10 | 1975 |
拍 | peta | P | 10 | 1975 |
太 | tera | T | 10 | 1960 |
吉 | giga | G | 10 | 1960 |
兆 | mega | M | 10 | 1960 |
千 | kilo | k | 10 | 1795 |
百 | hecto | h | 10 | 1795 |
十 | deca | da | 10 | 1795 |
分 | deci | d | 10 | 1795 |
厘 | centi | c | 10 | 1795 |
毫 | milli | m | 10 | 1795 |
微 | micro | μ | 10 | 1960 |
納 | nano | n | 10 | 1960 |
皮 | pico | p | 10 | 1960 |
飛 | femto | f | 10 | 1964 |
阿 | atto | a | 10 | 1964 |
瓜 | zepto | z | 10 | 1991 |
么 | yocto | y | 10 | 1991 |
國際單位制與非國際單位制的轉換
理論上，國際單位制可以覆蓋科學技術的所有領域，取代所有其他單位制的單位。但在實際應用中，由于歷史原因或在某些領域的重要作用，一些國際單位制以外的單位還沒有被完全取代或廢除。因此，國際計量大會在公布國際單位制的同時，還確定了一些允許與 SI 并用的單位。這些單位分為兩大類：與 SI 并用或與 SI 暫時并用。
下表中是米與常見非國際單位制單位的對應關系。
表2 米與常見非國際單位制單位的對應關系
中文名 | 英文名 | 符號 | 推導關系 | 對應基本單位數(shù)值 |
市寸 | 1/10市尺（3.3cm） | 0.0333m | ||
市尺 | 1/3m | 0.333m | ||
市丈 | 10市尺 | 3.33m | ||
市里 | 1/2km | 500m | ||
密爾 | mil | 1/1000 in（25.4um） | 2.54×10m | |
英寸 | inch | in | 2.54cm | 0.0254m |
英尺 | foot | ft | 12in | 0.3048m |
英碼 | yard | yd | 3ft | 0.9144m |
英尋 | fathom | 2yd | 1.8288m | |
英里 | mile | mi | 1760yd | 1 609.344m |
海里 | nautical mile | nmi| | 1852m | |
天文單位 | astronomical unit | AU | 149 597 870 700m | |
光年 | light-year | ly | c×a | 9.460 7×10m |
普朗克長度 | Planck length | lp | 1.616×10m |
米定義的復現(xiàn)方法
國際計量大會（CGPM）規(guī)定了米定義的三種復現(xiàn)方法:
(1)用于天文、大地等測量工作的復現(xiàn)方法
根據(jù) l=ct 關系式,由所測出的時間 t 與定的光速值c復現(xiàn)長度l。
(2)用于實驗室計量工作的復現(xiàn)方法,
根據(jù)=c/f關系式,由所測出的頻率與給定的光速值 c 復現(xiàn)波長值入。
(3)用于一般測量工作的復現(xiàn)方法,
可以使用米定義咨詢委員會推薦使用的五種激光輻射和兩類同位素光譜燈輻射的任一種來復現(xiàn)米。
所推薦的五種激光輻射是:
1)甲烷吸收穩(wěn)頻的氨激光輻射 (CH4，γ3，P(7)，F(xiàn)2)
f=88 376 181 607 kHz；
λ=3 392 231297.0 fm；
2)碘吸收穩(wěn)頻的染料激光或 1.15 μm 氨激光的倍頻輻射(I2,I7-1,P(62),O)
f=520 206 808.53 kHz；
λ=576 294 706.25 fm；
相對不確定度為6X10。
3)碘吸收穩(wěn)頻的氨氛激光輻射(I2，11-5，R(127)，i)
f=473 612 214.8 MHz；
λ=632 991 398.1 fm；
相對不確定度為 1X10。
4)碘吸收穩(wěn)頻的氨氛激光輻射(I2，9-2，R(47)，O)
f=489 880 355.1 MHz；
λ=611 970 769.8 fm；
相對不確定度為 1.1X10。
5)碘吸收穩(wěn)頻的離子激光輻射(I2，43-0，P(13，α3)
f=582 490 603.6 MHz；
λ=514 673 466.2 fm；
相對不確定度為1.3X10。
所推薦使用的兩類同位素光譜燈輻射是:
1)對應于Kr 原子在 2p10及 5d5能級之間躍遷的輻射
f=494 886 516.5 MHz；
λ=605 780 210.2 fm；
相對不確定度為4X10。
通過以上的方法，米的復現(xiàn)不受某一基準的準確度或某種基準物質的性能影響，而且復現(xiàn)的準確度與定義本身無關，有利于根據(jù)測量的需要選擇最合適的復現(xiàn)方法。
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