我国阿伏加德罗常数测量关键技术研究取得突破性进展

       阿伏加德罗常数是一个将微观世界与宏观世界关联起来的基本物理常数。准确测量阿伏加德罗常数对国际基本单位--千克和摩尔的重新定义起着举足轻重的作用，同时对于在原子、分子和量子水平上研究和解决计量基标准问题十分关键。目前，国际上阿伏加德罗常数的测定主要是根据完整晶格单晶硅的摩尔体积和单个硅原子的体积之比，通过准确测量单晶硅球的密度，单晶硅摩尔质量和晶格常数来实现。
       近日，由中国计量科学研究院联合清华大学等国家重点科研机构开展的“十一五”科技支撑计划重点项目“阿伏加德罗常数测量关键技术研究”课题通过了国家质检总局组织的专家验收。该课题组经过4年的研究，建立了一套固体密度基准装置，该装置测量硅球直径的准确度(优于0.9nm)达到国际先进水平；通过构建新的装置和优化工艺流程，使得自然丰度单晶硅摩尔质量测量不确定度达到了 8×10-8，是目前国际上最高测量水平。该项目研究成果为我国建立摩尔计量基准奠定了重要基础，为我国在基本物理常数研究方面争得了国际话语权。
       据课题负责人、中国计量科学研究院罗志勇研究员和易洪副研究员介绍，该项目在国际上首次实现基于“机械扫描精密相移”原理和“新五幅算法”硅球直径精密测量，整套系统的测量重复性优于0.5nm，直径测量准确度优于0.9nm。设计的多层特殊管道布局真空系统，实现了“相位叠加效应”和“温度梯度补偿效应”的精密控温，真空腔内温度长期稳定性优于1mK。
       在单晶硅摩尔质量精密测量研究方面，课题组构建了一套新的五氟化溴法制备四氟化硅样品的实验装置，优化了五氟化溴法制备四氟化硅的工艺流程，化学制备完全转化，无分馏，在分子水平上混合均匀，污染更少；并提出了准确测量硅摩尔质量的新判据。
       课题组通过研究五氟化溴法制备四氟化硅的工艺流程和碱溶法制备四氟化硅的工艺流程，发现了国际阿伏加德罗常数工作组所采用的碱溶法制样过程中存在分馏效应，并且准确测量了该分馏效应的量值，揭示了X射线晶体密度法和功率天平法测量阿伏加德罗常数存在不一致的原因，在阿伏加德罗常数测量关键技术上实现了重要突破，为今后重新定义质量基本单位千克和物质的量的基本单位摩尔提供了技术支撑。
       目前，中国计量科学研究院开展的阿伏加德罗常数测量关键技术研究内容已成为国际阿伏加德罗常数合作项目的重要部分。通过与国际组织合作研究阿伏加德罗常数测量技术，将带动我国大批尖端高新测量技术的发展（如：纳米量级精密测量技术的研究、物质的量精密测量技术的研究、体积和密度精密测量技术的研究等），同时对于建立和完善我国以基本物理常数为基础的计量单位制体系、增强科技竞争力、培养高水平的科研人才具有十分重要的意义。