自然基準

自然基準是指以自然現象或物理效應來定義計量單位而以實物復現的計量基準。例如,長度計量基準是自然基準,它是以雷射波長 定義的。

反映物質運動自然規律的基本物理常數導出的電學基準或電學標準。20世紀60年代以前，用絕對測定（見電單位的絕對測定）方法復現的電磁單位的量值用實物基準來保存。絕對測定的不確定度（見電磁測量誤差）只能達到10-6～10-7量級。實物基準的年變化約為10-7～10-8量級。這種狀況不能滿足科學研究和生產的要求。60年代以來發展起來的自然基準為電學基準開創了新的局面。自然基準所復現的量值不受時間、地點、材料、樣品尺寸、溫度等各種因素的影響，具有很高的復現性和穩定性。

基本介紹

• 中文名：自然基準
• 反映：物質運動自然規律
• 絕對測定：復現的電磁單位
• 量級：10-6～10-7量級

介紹

在兩塊超導體之間隔以極薄的絕緣層，即構成一個約瑟夫森結。按照量子力學的規律，超導電流可以穿透絕緣層而在結內流動。如果在絕緣層的兩邊加上直流電壓V，則結內會流動頻率為f的高頻交變超導電流，且電壓，其中h為普朗克常數，e為基本電荷。這樣，電壓V可以由基本物理常數h和e的比值及頻率f的數值決定，此即為約瑟夫森效應。f的測定不確定度可達到10-13量級。所以由約瑟夫森效應得到的結電壓在原則上可達到與頻率標準相近的穩定度和復現性。

單個約瑟夫森結的結電壓僅為毫伏量級。1984年，聯邦德國及美國利用約1500個約瑟夫森結相串聯，得到了約 1伏的結電壓，可直接與標準電池的端電壓相比較，監視直流電動勢基準的穩定性。

量子化霍耳效應和電阻自然基準 　1980年，聯幫德國科學家K.von克利青等人發現量子化霍耳效應，即在低於4.2開的低溫和大於10特的強磁場中，半導體表面的二維電子氣的朗道能級呈現分立效應。當電子填滿某一能級時，半導體的霍耳電阻曲線上出現平台。平台處的霍耳電阻RH滿足方程，n為整數或有理分數。由基本物理常數h和e2的比值即可決定霍耳電阻的數值，而且不包含頻率因子。因此，用量子化霍耳效應建立的電阻自然基準的復現性和穩定度原則上不受限制。

相關信息

當原子核在磁通密度為B的磁場中發生旋進時，旋進的角頻率ω=γB（γ為原子核的旋磁比，是一種基本物理常數），如原子核同時還受到角頻率為ω的電磁波的輻射，就會發生共振吸收。這種現象稱為核磁共振。利用此種效應可建立磁場的自然基準，即用γ和頻率值來決定磁通密度。