2019: la définition du kilogramme sur la question de savoir si révisé

Mª NIEVES Medina Martín (1)
Luis Omar Becerra Santiago (2)
Angel Lumbreras Justia (1)
(1) Centre de métrologie espagnol
C / Alfar, 2
28760 TRES Cantos (Madrid)
(1) 91 807 47 89 [email protected]
(2) Centre national de métrologie (CENAM)
KM 4.5 Autoroute A Los Marqués (Querétaro)
Mexique

Résumé: L’article vise à décrire le problème de la définition actuelle du kilogramme et des actions effectuées pour sa redéfinition dans laquelle elle a été examinée. Les deux méthodes sont notamment abordées, les expériences qui permettent de réaliser la nouvelle définition ainsi que la situation actuelle de ces expériences sont décrites. Le problème est apparu par cette situation et des lignes d’action futures sont également discutées pour garantir la diffusion et la maintenance de l’unité.
Mot-clé: Système international, redéfinition, Kilogramme
Abstrait: L’article vise à décrire les problèmes du courant Définition du kilogramme et des actions qui ont été réalisées pour la redéfinition des sites dans l’OUI révisé. Les deux méthodes sur lesquelles les expériences qui allaîtront la réalisation ainsi que la situation actuelle de ces expériences sont décrites. Il discute également des problèmes découlant de cette situation et des lignes d’action futures pour entrer la diffusion et la maintenance de l’unité.
Mots-clés: Système international, redéfinition, Kilogramme

Introduction

des sept unités du SI – Le mètre, le kilogramme, le deuxième, l’ampli, le kelvin, la taupe et la bougie – seul le kilogramme est défini en termes d’artefact matériau.

La masse est la dernière ampleur de base dont l’unité est référencée à un artefact matérialisé. Ainsi, l’unité de masse, kilogramme (kg) est définie comme la masse du prototype international du kilogramme. Cette définition a été sanctionnée en 1901 lors de la 3e Conférence générale des poids et mesures (3e CGPM). Le prototype international du kilogramme est déposé depuis 1889 au Bureau international des poids et mesures (BIPM) et est un artefact cylindrique de 39 mm de hauteur et de diamètre, fabriqué à 90% de platine et à 10% d’iridium, avec une densité d’environ 21 500 kg. / m3. Kilogramme est défini comme la masse de ce prototype international du kilogramme, étant son incertitude zéro, par définition.

comparé à d’autres unités de base, une différence fondamentale est une différence fondamentale: la définition et la réalisation du kilogramme sont liées à Un objet concret. Cela signifie que l’unité de masse, jusqu’à présent, ne peut pas être transférée avec une précision mieux que celle autorisée par la comparaison de masse avec le prototype international du kilogramme.

La grande majorité des pays signataires de la La Convention de métro maintient également des prototypes de platine-Iridium de caractéristiques similaires au prototype international du kilogramme. La valeur de masse de ces prototypes est tracée, par comparaison dans un équilibre, le prototype du kilogramme international et constitue la référence de la magnitude de masse dans chaque pays.

Le BIPM IT a conservé à égalité du prototype international de kilogramme et de six autres prototypes (copies) qui ont les mêmes caractéristiques physiques. La masse du prototype international de kilogramme a été comparée à chacun des six exemplaires à quatre reprises, comme avec les prototypes nationaux, en 1889, 1946, 1991 et 2014. Il a été prouvé que la valeur de masse moyenne des six copies a augmenté. Au fil du temps de la masse du prototype international de kilogramme, avec une dérive approximative de 50 μg en 100 ans, bien que lors de la dernière comparaison, ladirie ne soit pas observée (voir fig. 2). Cette modification de la valeur de masse est excellente si elle est prise en compte que l’incertitude actuelle attribuée aux prototypes maintenues par les pays signataires de la convention de métro est du dixième de cette valeur.

D’autre part, il existe un grand nombre de limitations que cela signifie avoir la définition d’une unité comme artefact physique: il est uniquement disponible au même endroit, il peut être endommagé ou simplement détruit, Absorbe les molécules de l’atmosphère et doit être soigneusement nettoyée à travers une méthode préétablie, ne peut pas être utilisée régulièrement en danger d’usure, le matériau qui constitue le prototype international est soumis à des changements possibles dans le temps et sa dérive n’est pas prévisible.

Pour tout ce que la tendance générale est que les unités de base sont définies par des expériences qui les racontent avec des constantes physique de la nature et / ou propriétés des atomes. De ce qui précède, il y a déjà deux exemples clairs: le métro et le second. Ainsi, le compteur est défini comme la longueur qui traverse la lumière sous vide en 1/299 792 458 secondes. Le compteur est donc référé à la vitesse de la lumière sous vide, ce qui est précisément 299 792 458 m / s (par accord international (par accord international ). La seconde pour sa part est définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux d’hyperfine de l’état fondamental de l’atome de césium 133. A cette définition a été ajoutée en 1997 que les atomes devaient être au repos et une température thermodynamique de 0 K. Ces définitions permettent de reproduire des unités de long et de temps partout dans le monde, exécutant les expériences correspondantes et éviter la dépendance à un objet physique, Sous réserve des risques susmentionnés.

En raison de toutes ces limitations, un effort international a été effectué depuis plus de 30 ans pour relier la masse du prototype international du kilogramme à une constante fondamentale, avec une incertitude suffisamment petite que permet de remplacer la définition actuelle du kilogramme. Ces travaux ont été intensifiés depuis 2005 à l’occasion de la Recommandation 1 (IC-2005) du Comité international sur le poids et les mesures (CIPM), qui ont exhorté la communauté scientifique à accélérer les travaux de modification des définitions et des effets primaires du kilogramme, de l’Amério, Kelvin et Mol, basé sur des constantes fondamentales. En conséquence de ce qui précède, dans la résolution 1 de la 24e CGPM, il est établi que l’ampli (a) doit être défini en fonction de la charge de l’électron (E), du mol (mol) selon la constante Avogadro (NA). , le Kelvin (k) selon la constante de Boltzmann (k) et le kilogramme (kg) selon la constante de Planck (H).

La redéfinition des unités de base en fonction des constantes fondamentales doit être effectuée Pour que de nouvelles définitions n’affectent pas la pyramide de traçabilité qui est, que les utilisateurs n’ont pas d’augmentation de l’incertitude dans leurs étalonnages. Dans le cas particulier du kilogramme, les conditions suivantes sont remplies: il existe au moins trois expériences indépendantes qui donnent lieu à des valeurs kilogrammes, de la constante de Planck, composée de 95% de 95% avec des incertitudes relatives typiques non plus de 5 x 10-8. De plus, au moins une des expériences ci-dessus doit avoir une incertitude typique relative de 2 x 10 à 8.

Développements expérimentaux

pour tous mentionnés ci-dessus, il est clair qu’un L’unité doit être invariante au fil du temps et le meilleur moyen de s’assurer que cela est lié aux invariants de la nature telles que les constantes physiques fondamentales et les propriétés des atomes. À l’heure actuelle, il existe fondamentalement deux méthodes qui relèvent de manière expérimentale la masse avec des constantes physiques fondamentales, avec une incertitude suffisamment faible de sorte que la pyramide de traçabilité de l’unité ne soit pas affectée. Ces méthodes sont la méthode avogadro et l’échelle de kibble, appelée balance de puissance précédemment.

La méthode avogadro est également appelée méthode XRCD (provenant de l’anglais « rayon-ray-densité de la cristal », de densité cristalline par Rayons X, également appelés diffraction à rayons X). Le concept de cette méthode provient de l’idée classique que la masse d’une substance pure peut être exprimée en fonction du nombre d’entités élémentaires de ladite substance. Ce nombre peut être mesurer par La méthode XCRD de cristal pratiquement parfaite avec constante de réseau et volume vs

Grâce aux grandes avancées de l’industrie semi-conductrice, de grands monocristiaux de silicium peuvent être disponibles avec une grande pureté et sans dislocations.Il peut également être obtenu que ledit verre contient pratiquement un seul isotope, le 28Si.

pour l’une de ces monocristales, le volume macroscopique contre un cristal est égal au volume de chaque atome multiplié par le nombre des atomes du cristal, ceci étant de nombre, dans le cas du cristal de silicium:

\ (n = \ frac {{{{{{{{{} _ {\ textsf s}} {{a} 3} \) (1)

Etant donné que l’unité de silicium (a cubique et le bord) a 8 atomes (voir Fig. 3).

Cette expérience concerne la masse avec une constante fondamentale, la constante d’ Avogadro, qui est défini comme le nombre d’entités élémentaires qui existent dans une mole d’une substance. Etant donné que la masse molaire du 28Si, M (28Si), il est connu, il est clair que la masse d’un cristal de silicium peut être déterminée, par l’expression suivante:

de l’expression précédente, connu

constante de masse m Avogadro et vice versa.

Pour relier la masse avec la constante de Planck, l’équation suivante est prise en compte, dans lequel d’ autres constantes fondamentales apparaissent,

où m (e) est la masse molaire de l’électron, c est la vitesse de la lumière sous vide, α est la constante de la structure fine et Ry est la constante de Rydberg. La valeur de la constante de Na H, selon CiCata 2014 et 2017 peut être déterminée avec une incertitude relative de 4,5 x 10-10, de sorte que la détermination de la constante de avogadro grâce à cette méthode permet de déterminer la constante de Planck , sans augmentation de l’incertitude. Il y a eu plusieurs tentatives dans l’histoire pour déterminer la constante Avogadro par des mesures dans un cristal de silicium. Afin de contribuer à la réalisation du kilogramme, il met en évidence un projet de coopération internationale appelé «coordination internationale Avogadro» (IAC). Dans ce projet de coopération, les institutions du monde entier ont participé: BIPM, IRMM (Union européenne), Inrim (Italie ), NIST (États-Unis), NMJ (Japon), NML (Australie), NPL (Royaume-Uni) et PTB (Allemagne). Les résultats de ce projet sont publiés dans.

dans ce projet est destiné à déterminer la constante de avogadro d’une sphère de 1 kg de isotopiquement enrichi ultrapure monocristal de silicium (pratiquement que l’isotope 28 si elle est présente). pour la détermination de la constante de avogadro il était nécessaire de déterminer la constante de réseau du silicium a, qui est merided au moyen d’une diffraction des rayons X, le volume de la sphère VS, au moyen d’interféromètres spécialement conçus pour mesurer le diamètre et la rondeur de la sphère, la masse molaire m (28Si), qui a été réalisée par spectrométrie de Masses et masse m qui mesuraient le BIPM avec une traçabilité directe au prototype international du kilogramme. D’autre part, il convient de garder à l’esprit que, en raison de l’interaction chimique du silicium avec l’air de l’atmosphère, une couche d’oxyde dont l’épaisseur constitue une correction significative est créée à la surface de la sphère. La mesure de ladite épaisseur de la couche a été réalisée par ellipsométrie. Chacune de ces mesures a été réalisée par plus d’un institut à condition que c’était possible, ce qui garantit ainsi la qualité d’entre elles. Avec la réalisation de ces mesures, la constante de Avogadro a été déterminée avec une incertitude relative typique de 3 x 10-8.

En 2011, les sphères du projet initial ont été à nouveau poli (depuis qu’il a été détecté que Sa surface était probablement contaminée par le vernis initial) et les mesures de tous les paramètres d’une nouvelle détermination de la constante Avogadro, NA ont été effectuées. Dans la plupart des cas, les instruments de mesure et leurs incertitudes ont été améliorés. Après cette poursuite du projet, une nouvelle détermination de la constante a été obtenue avec une incertitude relative typique de 2 x 10 à 8. C’est une grande réalisation, car cette incertitude satisfait déjà à l’une des exigences de la redéfinition du kilogramme. À cette fin, le PTB, le NIMJ et l’INRIM ont continué de collaborer et le PTB a fabriqué de nouvelles sphères de meilleure enrichissement.

Dans ce processus, les problèmes détectés par l’INRIM dans la détermination du réseau constant dû les corrections de diffraction du faisceau et l’effet de la tension superficielle.Après cette découverte, les corrections correspondantes des valeurs de la constante AvogoDro ont déjà contribué en 2011 et 2015 ont été effectuées. De plus, la couche d’oxyde de surface a été mesurée par d’autres techniques (spectroscopie photoélectronique émise par des rayons X et de la fluorescence des rayons X et des rayons X ), ainsi que des postes vacants et des impuretés éventuelles à travers diverses techniques topographiques et spectroscopiques. À la suite de cette collaboration, deux nouvelles valeurs ont été publiées pour la constante Avogadro, l’une avec une incertitude relatif typique de 1,2 x 10 à 8 et une déterminée uniquement des mesures NMIJ avec une incertitude relatif typique de 2, 4 x 10-8.

L’autre méthode permettant de déterminer la masse de la constante de Planck est l’échelle de kibble. Dans cette méthode, la détermination de la masse M est effectuée en deux phases: la phase lourde et la phase dynamique. Ces phases peuvent être prises l’une après une autre ou simultanément.

dans la phase lourde, la force gravitationnelle MG est équilibrée avec la force électromagnétique produite par une bobine de longueur immertée dans un champ de densité de flux magnétique B lorsqu’un courant I1 passe à travers la bobine. La géométrie de l’aimant et de la bobine est conçue pour produire une force purement verticale. L’accélération de la gravité G qui agit sur la masse et le courant I1 qui traverse la bobine sont mesurées simultanément de sorte que l’équation soit remplie

Dans la phase dynamique, la tension U2 induite dans les bornes de la même bobine est mesurée lors de la vitesse verticale à la vitesse V dans la même direction que la densité de débit magnétique B. est une tension est donnée par l’équation:

équations (4) et (5) peuvent être combinés pour supprimer le produit BL (une détermination expérimentale difficile avec certains Précision), suppression de l’équation

Le courant I1 peut être déterminé à l’aide de la loi Ohm en mesurant la chute de tension U1 Aux terminaux d’une résistance R. Les deux tensions U1 et U2 peuvent être tracées à l’effet Josephson, où la valeur de la constante Josephson KJ est égale à

étant la charge d’électrons. De même, la résistance R peut être mesurée en fonction de l’effet de la salle quantique où la valeur de la résistance appelée von klitzing rk est donnée par l’expression suivante

Il est alors que la deuxième partie de l’équation (6) peut être exprimée sous la forme

où F est la fréquence du micro-ondes avec laquelle l’irradié Josephson et B est irradié est un produit adimensionnel des paramètres qui permettent de tracer la partie électrique de l’expérience à la salle Josephson et quantum.

En conséquence, la masse doit dépendre uniquement de la constante de Planck selon l’expression suivante

Les magnitudes gyv peuvent être mesurées respectivement au moyen d’un gravimètre et d’un interféromètre approprié.