基本电荷的精密测量及电流单位安培的重新定义

1990年1月1日，为了建立电压和电阻及其他电学量在测量中的国际一致性，国际计量委员会引入了分别基于约瑟夫森效应和量子霍尔效应的伏特V和欧姆Ω新的实际表示，以及KJ和RK的约定值(即采用值)。本文给出了由国际科技数据委员会推荐的2014年电学量基本常数自洽组的最新数值。

1948 年1 月1 日采用电流单位的绝对单位制。这个单位制的基础是1901 年由意大利科学家乔吉(G. Giorgi)^[1]提出的修正的CGS制。这个单位制又称为米—千克—秒—安培单位制(简称MKSA制)。MKSA 制的单位量值大小很适合于实际测量，从安培的定义中消除了不方便的4π因子。第九届国际计量大会(CGPM)批准的是用两个平行导体之间的力定义安培；伏特是在流过1 A恒定电流的导线内，两点之间所消耗的功率为1 W时，两点之间的电位差，即在导体间加1 V的恒定电位差产生1 A的恒定电流的电阻。大会对其他单位也作了定义，并都采用了国际单位制(SI)，1960 年第11 届CGPM正式批准，指定安培为电学量的基本单位。

然而，安培的定义并不宜于实际复现，因此继续在国际计量局(BIPM)开展国际比对，并采用协定将BIPM 标准的值作为伏特和欧姆。1970年，十几个国家实验室送它们的标准到BIPM，进行每三年一次的国际比对：欧姆数值的分散性约为1×10^-6，伏特数值的分散性约为欧姆数值分散性的两倍或三倍。从结果来看，国家实验室有时已调整了它们标准的值，BIPM 在1968 年也进行了调整。

2.1 约瑟夫森的贡献

1962 年，英国理论物理学家约瑟夫森(图1)研究两块超导体之间的结的性质，这个结后来被称为约瑟夫森结^[2]。他计算了超导结的隧道效应并得出结论：如果两个超导体距离足够近，电子可以作为一种辐射波穿透超导体之间的极薄绝缘层而形成电流，而超导结上并不出现电压；如果超导结上加有电压，电流就停止流动并产生高频振荡。这就是约瑟夫森效应。

图1 英国物理学家约瑟夫森(1940— )

约瑟夫森效应是指电子对通过两块超导体间的薄绝缘层(厚度为1 nm)时发生的量子力学隧道效应。1962 年，英国剑桥大学年仅22 岁的研究生B. D. 约瑟夫森从理论上预言，当超导电子对通过超导体—氧化层—超导体的薄夹层结构时形成无损耗的超流电流，即超导电子对的隧道效应。1963 年，美国贝尔实验室的科学家从实验上证明了约瑟夫森的预言，故称约瑟夫森效应。由此，一门新的学科——超导电子学创立。尤其是伴随着根据约瑟夫森效应原理制成的超导量子干涉器件(SQUID)的问世，相应的超导体的另一大类应用，即弱电(弱磁)应用也拉开了序幕。约瑟夫森由于预言隧道超导电流的存在而获得1973 年诺贝尔物理学奖。