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物质的量测量中心定律的发现
2015-09-22
物质的量是国际单位制中7个基本量之一，而摩尔是物质的量的单位。1摩尔物质所包含的实物粒子数和
在国家科技支撑计划重大项目“阿伏加德罗常数测量关键技术研究”课题支持下，中国计量科学研究院化学所易洪与美国纽约大学、中国科学院地质与地球物理研究所的研究人员合作开展了阿伏加德罗常数准确测量相关技术研究。在单晶硅摩尔质量准确测量研究中，课题组设计建立了一套高真空度的五氟化溴纯化及四氟化硅制备实验装置、一套高真空度氟硅酸钡热分解及四氟化硅收集实验装置。使用这两套实验装置和课题组改进的五氟化溴法制备四氟化硅的实验方法，使得样品化学制备过程中单晶硅完全转化，四氟化硅同位素样品在分子水平上混合均匀，来自试剂和环境的污染更少，同时对四氟化硅提取分离过程进行了同位素分馏校正。课题组的硅同位素成分测量研究在理论方法、实验设备构建和实验操作原理上都有新的突破和提高，其中的实验方法和实验装置获得2项国家发明专利“一种质谱仪校正样品的制备方法（专利号；ZL 200910241931.X）、一种硅藻样品分层氟化的分析方法（专利号；ZL201010244436.7）”和一项国家实用新型专利“有毒氟化物废液的无害化处理装置（专利号；ZL 201020260900.7）”，具有显著的创新性。自然丰度单晶硅摩尔质量测量方法不确定度达到8×10-8 ，是当前国际领先水平。在准确测量自然丰度单晶硅摩尔质量的实验中，通过对同一单晶硅样品采用五氟化溴制备方法和采用碱溶法制备方法进行比对研究，课题组发现了碱溶法制样过程存有分馏效应，并且准确测量了这一分馏效应的大小，它导致自然丰度单晶硅摩尔质量偏小1.0×10-6，修正后，X射线晶体密度法测量得到的阿伏加德罗常数值更接近国际推荐值。在阿伏加德罗常数测量关键技术上实现了重要突破。相关成果发表在国际计量学权威杂志《计量学》2012年第一期。
修正后自然丰度单晶硅球X射线晶体密度法获得的阿伏加德罗常数值更接近国际推荐值
评审人认为，论文在深入实验研究的基础上得出了明确的结果和结论，这一发现解开了十年来阿伏加德罗常数测量领域的一大难题，是对阿伏加德罗常数测量非常有价值的贡献。对于当前CODATA 基本常数特别是阿伏加德罗常数评估是一个重要的贡献。在Reviews of Modern Physics2012年3月27日发表的综述文章“CODATA recommended values of the fundamental physical constants:
课题组不仅在实验上有所发现，在理论上也有所建树。提出了准确测量摩尔质量的新判据，即：（1）化学反应完全转化；（2）无同位素分馏；（3）样品达到分子水平上的均匀性；（4）制备测量过程的污染更少。在这一理论的指导下，申请并获得了校正质谱仪样品的制备方法的国家发明专利。并且提出了物质的量测量均匀性原理，该原理指出化学组成的测量准确度取决于样品分子的均匀性。物质的量测量均匀性原理支配着化学测量的采样过程、样品化学制备过程和检测过程。
2012年4月18日，应国际计量局邀请，易洪参加了法国巴黎召开的“摩尔重新定义–化学计量的新时代”专题研讨会，并就“单晶硅摩尔质量的准确测量”作了特邀报告。在报告中，课题组提前披露了“物质的量测量中心定律”的结论——样品分子布居的均匀性代表分析中物质的量测量准确度。
2015年3月10日，易洪研究团队在同行评审的化学专业期刊《美国分析化学杂志》在线发表了题为《样品成分的真值在那里》的研究论文。课题组研究了样品成分的真值在化学测量过程中的变化，发现样品成分的真值存在于样品分子的均匀分布之中，提出了“物质的量测量中心定律”，该定律表明样品分子布居的均匀性代表分析中样品成分的测量准确度。课题组从均匀样品的任何均匀子样品其组成相同这一公理出发，结合构想的样品均匀化思想实验，对物质的量测量中心定律给出了数学证明。课题组还进一步指出，在微观水平上，阿伏加德罗定律不成立。审稿人对课题组研究工作的评价是：“作者成功地提出了物质的量测量中心定律。通过确证数值模型，文章以结果的真实性和可靠性使读者信服。在进行这项研究中，作者做出了值得称道的工作。”
基本物理常数是自然法则的载体，为了检验这些法则和物理理论的自洽性，基本物理常数必须用最高准确度方法来确定。阿伏加德罗常数是一个联系宏观世界和微观世界的基本物理常数，准确测定阿伏加德罗常数让人们能严格考验物理和化学理论和实验技术，也能让人们在最高准确度条件下了解物理学，确认不同实验的分歧，明确不一致性的问题所在，发现新的自然规律。物质的量测量中心定律的发现对于在微观和宏观水平上准确测量物质的组成提供了理论基础。
