独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长吉川博之]（以下简称“AIST”）计量标准研究部[部门主任：小野晃]主任藤井健一等人领导的研究小组是欧盟联合研究中心标准材料测量研究所[主任]亚历杭德罗·埃雷罗·莫利纳】（标准物质与测量研究所与“IRMM”合作，这是基于原子数量的质量的新定义原子质量标准的关键阿伏伽德罗常数的精度这个数据是科学技术数据委员会 (CODATA)中评估的基本物理常数并在此基础上进行了全面修订，于2003年12月9日出版。这是日本测量的基本物理常数首次被CODATA采用。
阿伏加德罗常数为 1鼹鼠物质中所含原子、分子等的数量。从这个值开始，它出现在量子力学中，它涉及原子和基本粒子等微观世界普朗克常数可以推导出来。这些常数在物理和化学中使用的许多常数中尤其重要基本物理常数基本物理常数对于科学技术极其重要，许多其他物理常数都依赖于这些常数，因此它们具有很高的学术连锁反应。为此，世界各地负责标准的研究机构都在开展提高阿伏加德罗常数精度的研究。
AIST和IRMM这次测量阿伏加德罗常数所使用的方法是X射线晶体密度法硅晶体的密度晶格常数（原子间距离）AIST，摩尔质量(平均原子量)通过IRMM测量。在 AIST，有几十个纳米测量质量为 1 公斤的硅球的形状，并抛光至超精密球形，精度为几纳米激光干涉仪[见图1]已开发。此外，我们还开发了一种新的测量技术[参见照片2]，可以以极高的精度测量硅晶体中的密度差。结果，以八个数量级的极高精度测量晶体密度成为可能，并成功提高了阿伏加德罗常数的精度。 AIST 和 IRMM 在美国科学杂志上发表了这些结果 (IEEE 仪器和测量汇刊，2003 年，卷。 52，第 2 期，第 646-651 页），是迄今为止精度最高的 2×10-7。使用 CODATA 评估该数据，并根据该数据完全修改了大约 200 个基本物理常数。
目前阿伏加德罗常数的测量精度约为7位数字，但如果再提高一位数字，就有可能重新定义当前由国际原型千克定义的质量单位，并转向原子质量标准，这是一种基于原子数量的新定义。 AIST最近取得的成就备受关注，不仅是开发了基本物理常数等全人类共同的科学技术信息，而且还为实现原子质量标准铺平了道路。
米约定由成员国代表组成国际度量衡委员会 (CIPM)计划启动一个国际项目来更精确地测量阿伏加德罗常数。 AIST也计划参与该项目。此外，产业技术研究院开发的超精密固体密度比较技术，可以定量测量迄今为止难以检测到的硅晶体中的微小缺陷，使其成为半导体行业的新技术。晶体评估技术预计。
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照片 1 激光干涉仪测量硅球的直径
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在支配自然现象的物理定律中存在一些普遍的基本物理常数。在以实验验证理论为基础的现代物理学中，理论和模型的有效性通过一些基本物理常数和用于确定其数值的标准来验证，并建立物理系统的基础。光速、普朗克常数和精细结构常数是最重要的基本物理常数。其中，光速是根据定义确定的常数，普朗克常数和精细结构常数是根据测量确定的常数。普朗克常数由德国物理学家马克斯·普朗克于 1900 年发现，因其与量子力学后续发展的联系而闻名。在目前广泛使用的电压、电阻等电气测量中约瑟夫森效应和量子霍尔效应实现作为标准，需要更精确的普朗克常数来提高其精度。
普朗克常数也可以使用严格的关系表达式从阿伏加德罗常数推导出来，因此阿伏加德罗常数的测量值也很重要，就像普朗克常数一样。这些基本物理常数是极其基本的常数，许多其他物理常数都依赖于这些常数，因此具有很高的学术连锁反应。因此，总部位于巴黎的科学技术数据委员会（CODATA）并没有将这些常数的确定交给各个团体，而是收集从世界各地获得的最新实验数据，由各国专家对这些数据进行评估，以确定基本物理常数的推荐值，每四年发布一次。
普朗克常数最后一次由 CODATA 推荐是在 1998 年，由英国物理实验室 (NPL) 和美国国家标准与技术研究所 (NIST)瓦特平衡法测量的普朗克常数来确定的。作为主要数据。瓦特平衡法是一种通过测量约瑟夫森效应和量子霍尔效应确定的电压和电阻来确定普朗克常数的方法。但专家早就指出，这个值可能有偏差（与数据的不确定性相比，与真实值的偏差较大）。因此，人们热切期待基于完全不同测量原理的新数据的报告。
AIST（前身为工业科学技术厅计量研究所）大约 30 年前开始测量阿伏加德罗常数。如果能够准确测量阿伏加德罗常数，就有可能将国际千克原器定义的质量单位转移到原子质量标准。在巴黎国际计量局 (BIPM)，被定义为质量单位已经有100多年了，因此由于其表面吸附的气体的影响，其质量逐渐增加。此外，如果原型的质量由于事故等而发生变化，则存在无法再现该质量的风险。因此，人们研究了使用碳原子数或无偏常数来精确再现质量的方法。 AIST 已开始使用 X 射线晶体密度法测量阿伏加德罗常数，该方法通过测量晶体密度、晶格常数（原子间距离）和摩尔质量（平均原子量）来计算阿伏加德罗常数。
当我们第一次开始研究时，我们首先使用 X 射线干涉仪测量硅晶体的晶格常数（原子间距离）[见图 1]。 1987年，一项将硅晶体抛光成极其接近完美球体的技术被开发出来，使得高精度测量硅晶体的密度成为可能。产业技术研究院开发了一种激光干涉仪[参见照片1]，可以测量质量为1公斤的硅球的形状，该硅球已被抛光至数十纳米的超精密球形度，精度为几纳米。 1994年，我们成为世界上第一家成功测量真空中硅球密度的公司，使得测量密度不受空气折射率的影响成为可能，实现了世界上最高的固体密度测量精度。此外，我们还开发了一种新的测量技术[参见照片2]，可以以极高的精度测量硅晶体中的密度差。因此，能够以八位数的极高精度测量晶体的密度，从而可以评估晶体中的微小密度分布，而这在传统上是精确测量阿伏加德罗常数的一个难题。 1997年利用X射线干涉仪成功测量了晶格常数。此外，硅具有三种稳定同位素，因此为了确定其摩尔质量（平均原子量），需要精确测量同位素丰度比及其在晶体中的分布。 AIST与IRMM合作测量了硅晶体的摩尔质量（平均原子质量），并于2002年成功可靠地测量了阿伏加德罗常数。其结果发表在美国科学杂志上（IEEE 仪器和测量汇刊，2003 年，卷。 52，第 2 期，第 646-651 页）。
由 AIST 数据得出的普朗克常数与 1998 年 CODATA 确定的值有第六位数的差异，并且这种差异大大超过了测量不确定度。紧接着AIST的论文发表，德国物理技术研究所（PTB）的一个研究小组也发表了一篇利用硅晶体测量阿伏伽德罗常数结果的论文，并报告了与AIST几乎相同的值。为此，CODATA采用了AIST和PTB在2003年报告的阿伏加德罗常数作为高度可靠的值，并根据这些数据确定了新的普朗克常数推荐值。
使用电标准导出的普朗克常数与通过从硅晶体获得的阿伏加德罗常数导出的普朗克常数不同的原因至今尚未阐明。一些研究人员对约瑟夫森效应、量子霍尔效应等量子效应的完整性表示怀疑，但迄今为止尚未得出明确的结论。未来，预计将从理论和实验两个角度研究更准确的普朗克常数值。
图1 使用X射线干涉仪测量晶格常数的原理。
处理一块硅晶体以构造分光器、镜子和分析器。断开分析仪x内移动时，透射X射线和衍射X射线就会闪烁。方向。通过使用光波测量分析仪的位移，可以确定硅晶体的晶格常数。
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照片2 压力浮动法固体密度超精密对比装置
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将固体样品漂浮在密度与硅晶体大致相同的液体中，比较样品之间的密度差异约八个数量级。照片显示装有两个固体样品（上）的压力控制容器被放置在真空绝热恒温室（下）中。
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可以使用物理学中严格的关系公式将阿伏加德罗常数转换为普朗克常数。因此，在确定普朗克常数的推荐值时，CODATA将通过硅晶体获得的阿伏加德罗常数导出的普朗克常数与基于约瑟夫森效应和量子霍尔效应的电气标准获得的普朗克常数进行了比较。
图2显示了CODATA用来确定普朗克常数推荐值的主要数据。这些数据大致可分为基于约瑟夫森效应和量子霍尔效应的电气标准导出的数据(□)，以及通过从硅晶体获得的阿伏加德罗常数导出的数据(○)。这两组的测量不确定度约为七个数量级。相比之下，两组之间存在 6 位数字的差异，并且观察到这些理论上应该匹配的数据在组之间并不匹配。 CODATA检查了报告这些数据的论文，并从各个角度检查了测量中使用的实验和理论，但无法找到这种差异的原因。为此，CODATA确定存在当前物理学尚未阐明的未知物理现象和未知不确定性，扩大所有数据的不确定性直至达到统计一致性，并将普朗克常数的推荐值（△）确定为加权平均值。这是日本测量的基本物理常数首次被 CODATA 采用。
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图2 有助于确定普朗克常数的主要实验数据
条形图是实验数据 标准不确定度NML(澳大利亚)-8HOSU Drying 9：澳大利亚联邦科学与工业研究组织使用水银电压表测量约瑟夫森常数(1989)，PTB(德国)-91：德国物理技术研究所使用电压天平测量约瑟夫森常数(1991)，NPL(英国)-90：英国物理研究所使用瓦特天平测量普朗克常数(1990)、NIST (US)-98：美国标准与技术研究所通过瓦特天平测量普朗克常数 (1998)、NMIJ(日本)/IRMM(EU)-03：AIST 和参考材料测量研究所测量阿伏加德罗常数 (2003)、PTB(德国)/IRMM(EU)-03：德国研究所测量阿伏加德罗常数物理与技术研究所和标准物质测量研究所（2003 年）。此前，普朗克常数只能根据基于瓦特平衡等电气标准测量的普朗克常数（□）来确定，但现在已经从硅晶体中获得了高度可靠的阿伏加德罗常数（○），CODATA宣布了新的推荐值（△）。 |
目前，阿伏加德罗常数的测量精度约为7位数，但如果再提高一位数，就有可能根据原子数来确定质量单位。除了为全人类共同的科学技术信息基础设施做出贡献（例如确定基本物理常数）之外，AIST 的成就还包括由称为原型千克的重量定义的最后一个重量。国际单位制）的标准化铺平道路而受到关注。如果实现原子质量标准，则不再需要当前的国际千克原器，并且历史上第一次，质量的定义将与人造物体分离并与无偏常数联系起来。为此，由米制公约成员国代表组成的国际计量委员会（CIPM）正计划启动一项国际项目，以更精确地确定阿伏加德罗常数。该项目涉及对由三种稳定同位素组成的天然硅进行同位素富集，使其富集度达到 9999%。28正在考虑制造数公斤由Si制成的硅晶体，并最大限度地降低摩尔质量的不确定性。此外，正在考虑启动国际联合研究，以将硅晶体密度和晶格常数的测量不确定度降至绝对最低。为了制造这种富含同位素的晶体，除了日本产业技术研究院外，德国、意大利、英国、美国和澳大利亚负责标准的研究机构、欧盟的联合研究中心、哈佛大学和俄罗斯的研究机构也将进行合作。
在测定阿伏加德罗常数过程中开发的超精密固体密度比较技术还可用于定量评估迄今为止难以检测的硅晶体中的微小缺陷，未来有望应用于高集成器件的晶体评估新技术。此外，富含同位素的硅已经应用于量子计算机和高导热材料的开发，并且相关基础研究正在进行中。在这些对基础研究和应用的期望的支持下，计量学家 (计量学家)建立原子质量标准的长期梦想有望实现。