2019: a definición do quilogramo de si revisado

Mª Nieves Medina Martín (1)
Luís Omar Becerra Santiago (2)
Angel Lumbreras Justia (1)
(1) Centro de Metrología Española
C / Alfar, 2
28760 Tres Cantos (Madrid)
(1) 91 807 47 89 [email protected]
(2) Centro de metrología nacional (CENAM)
Km 4.5 Highway a Los Marqués (Querétaro)
México

Resumo: o artigo ten como obxectivo describir o problema da definición actual de quilogramos e as accións que se realizaron para a súa redefinición na que foi revisado. Os dous métodos son discutidos en particular, os experimentos que van permitir que a realización da nova definición, así como a situación actual destes experimentos descríbese. O problema aristado por esta situación e as futuras liñas de actuación tamén se discuten para garantir a difusión e mantemento da unidade.
Palabra clave: sistema internacional, redefinición, kilogramo

: o artigo ten como obxectivo describir os problemas da corrente Definición do quilogramo e as accións que se realizaron para os sitios redefinición no revisto SI. Os dous métodos sobre os que se describen os experimentos que se describen a realización da situación actual destes experimentos. Tamén discute os problemas derivados desta situación e futuras liñas de acción para introducir a difusión e mantemento da unidade. Palabras clave: Sistema internacional, redefinición, kilogramo

Introdución

Das sete unidades do SI – o metro, o quilogramo, o segundo, o AMP, o Kelvin, a toupeira ea vela – só o quilogramo defínese en termos dun artefacto de material.

A masa é a última magnitude básica cuxa unidade está referida a un artefacto materializado. Así, a unidade de masa, kilogramo (kg), defínese como a masa do prototipo de kilogramo internacional. Esta definición foi sancionada en 1901 durante a 3ª Conferencia Xeral de Pesos e Medidas (3ª CGPM). O prototipo de kilogramo internacional deposítase desde 1889 na Oficina Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) e é un artefacto cilíndrico, con 39 mm de alto e diámetro, fabricado no 90% de platino e 10% de Iridium, cunha densidade aproximadamente 21 500 kg / m3. O quilogramo defínese como a masa deste prototipo de kilogramo internacional, sendo a súa incerteza cero, por definición.

En comparación con outras unidades básicas, hai unha diferenza fundamental: a definición e a realización do quilogramo están ligadas a Un obxecto concreto. Isto significa que a unidade de masa, ata agora, non pode ser transferida cunha precisión mellor que a comparación de masa polo prototipo internacional do quilogramo.

A gran maioría dos países signatarios da A Convención Metro tamén mantén prototipos de platino-Iridium de características similares ao prototipo de kilogramo internacional. O valor masivo destes prototipos está rastreado, en comparación nun equilibrio, o prototipo de kilogramo internacional e son a referencia para a magnitude de masa en cada país.

o bipm Mantivo en termos iguais o prototipo internacional de kilogramo e outros seis prototipos (copias) que teñen as mesmas características físicas. A masa do prototipo internacional de Kilogramo foi comparada con cada unha das seis copias en catro ocasións, como ocorre con prototipos nacionais, en 1889, 1946, 1991 e 2014. Comprobouse que o valor medio masivo das seis copias aumentou Co paso do tempo desde a masa do prototipo internacional de quilogramo, cunha deriva aproximada de 50 μg en 100 anos, aínda que na última comparación, dixo que a deriva non se observa (ver figura 2). Este cambio de valor masivo é excelente se ten en conta que a incerteza actual asignada aos prototipos que sostidos polos países asinantes da Convención Metro é do décimo deste valor.

Por outra banda, hai a gran cantidade de limitacións que significa ter a definición dunha unidade como artefacto físico: só está dispoñible nun só lugar, pode ser danado ou simplemente destruído, Absorbe as moléculas da atmosfera e debe ser coidadosamente limpa a través dun método preestablecido, non se pode usar rutineiramente por perigo de desgaste, o material que constitúe o prototipo internacional está suxeito a posibles cambios no tempo e a súa deriva non é previsible.

Para todo isto a tendencia xeral é que as unidades básicas están definidas por experimentos que os relacionan con constantes física da natureza e / ou propiedades dos átomos. Desde o anterior xa hai dous exemplos claros: o metro eo segundo. Así, o contador defínese como a lonxitude que percorre a luz en Vacuo en 1/299 792 458 segundos, polo que o medidor é referido á velocidade da luz en Vacuo, que é precisamente 299 792 458 m / s (por acordo internacional ). O segundo pola súa banda defínese como a duración do 9 192 631.770 períodos da radiación correspondentes á transición entre os dous niveis hiperfinas do estado fundamental do Cesium Atom 133. A esta definición engadiuse en 1997 que os átomos debían estar en repouso e unha temperatura termodinámica de 0 K. Estas definicións permiten reproducir unidades de longo e tempo en calquera parte do mundo, realizando os experimentos correspondentes e evitando a dependencia dun obxecto físico, suxeito aos riscos anteriormente mencionados.

Por mor de todas estas limitacións realizouse un esforzo internacional por máis de 30 anos relacionar a masa do prototipo de kilogramo internacional a unha constante fundamental, cunha incerteza suficientemente pequena Permite substituír a definición actual do quilogramo. Estas obras intensificáronse desde 2005 con motivo da recomendación 1 (IC-2005) do Comité Internacional de Peso e Medidas (CIPM), que exhortaron á comunidade científica a acelerar o traballo para modificar as definicións e os efectos primarios do quilogramo, o Amperio, Kelvin e Mol, baseado en constantes fundamentais. Como consecuencia do anterior, en resolución 1 do 24º CGPM establécese que o AMP (A) debe definirse de acordo coa carga do electrón (e), o mol (mol) segundo a constante de Avogadro (NA) , o Kelvin (k) segundo o Boltzmann (k) constante e o quilogramo (kg) segundo a constante de Planck (H).

Debe facerse a redefinición das unidades básicas en función das constantes fundamentais Para que as novas definicións non afecten a pirámide de trazabilidade que é, que os usuarios non teñen un aumento na incerteza nas súas calibracións. No caso específico do quilogramo, cumpren as seguintes condicións: que hai polo menos tres experimentos independentes que dan lugar a valores de quilogramos, desde a constante de Planck, que consiste entre si por un nivel de confianza do 95% con incertezas relativas típicas non Maior que 5 x 10-8. Ademais, polo menos un dos experimentos anteriores debe ter unha incerteza típica relativa non superior a 2 x 10-8.

desenvolvementos experimentais

Para todos os mencionados anteriormente está claro que a A unidade debe ser invariante ao longo do tempo e a mellor forma de asegurarse de que está relacionado con invariantes da natureza como as constantes físicas fundamentais e as propiedades dos átomos. Na actualidade, hai basicamente dous métodos que relacionan experimentalmente a masa con constantes físicas fundamentais, cunha incerteza suficientemente pequena para que a pirámide de trazabilidade da unidade non se ve afectada. Estes métodos son o método de avogadro e a escala de kibble, previamente chamado equilibrio de enerxía.

O método de avogadro tamén é coñecido como o método XRCD (procedente do inglés “X-Ray-Cristal-Density-Density”, Density Crystalline por Raios X, tamén coñecido como difracción de raios X). O concepto deste método provén da idea clásica de que a masa dunha substancia pura pode expresarse segundo o número de entidades elementais da devandita sustancia. Este número pode ser medir por O método XCRD para cristal prácticamente perfecto con constante de rede e volume vs.

Grazas aos grandes avances da industria de semicondutores, un gran monocrystals de silicio pode estar dispoñible con alta pureza e sen dislocacións.Tamén se pode alcanzar que devandito vidro contén prácticamente un único isótopo, o 28SI.

Para un destes monocristales, o volume macroscópico vs. dun cristal é igual ao volume de cada átomo multiplicado polo número de átomos do cristal, este número sendo, no caso do cristal de silicio:

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

Desde a unidade de silicio (cúbica e bordo a) ten 8 átomos (ver Fig. 3).

Este experimento relaciona a masa cunha constante fundamental, a constante de avogadro, que se define como o número de entidades elementais que existen nunha mole dunha sustancia. Dado que a masa molar dos 28si, M (28SI), é coñecida, está claro que a masa dun cristal de silicio pode ser determinada, pola seguinte expresión:

da expresión anterior, a masa coñecida mvogadro constante e viceversa.

para relacionar a masa coa constante de Planck, tense en conta a próxima ecuación, na que aparecen outras constantes fundamentais

Onde M (e) é a masa molar do electrón, C é a velocidade da luz en Vacuo, α é a constante da estrutura fina e r∞ é a constante de Rydberg. O valor da constante NA H, segundo CICATA 2014 e 2017 pódese determinar cunha incerteza relativa de 4,5 x 10-10, de xeito que a determinación da constante Avogadro a través deste método permite determinar a constante de Planck sen aumentar a incerteza. Houbo varios intentos ao longo da historia para determinar a constante avogadro a través de medidas nun cristal de silicio. Para contribuír á realización do quilogramo, destaca un proxecto de cooperación internacional chamado “Coordinación Internacional de Avogadro” (IAC). Neste proxecto de cooperación, participaron institucións de todo o mundo: BIPM, IRMM (Unión Europea), INRIM (Italia ), NIST (Estados Unidos), NMJ (Xapón), NML (Australia), NPL (Reino Unido) e PTB (Alemaña). Os resultados deste proxecto están publicados en.

Neste proxecto está destinado Determine a constante de Avogadro a partir dunha esfera de 1 kg de silicio monocristal ultrapurado isótopicamente enriquecido (prácticamente só o isótopo 28 se está presente). Para a determinación da constante Avogadro era necesario determinar a constante da rede de Silicon A, que é merecida Mediante a difracción de raios X, o volume da esfera VS, mediante interferómetros especialmente deseñados para medir o diámetro e a redondez da esfera, a masa molar (28SI), que foi realizada por espectrometría de Masas e masa M que mediron o BIPM con trazabilidade directa ao prototipo de kilogramo internacional. Doutra banda, hai que ter en conta que, debido á interacción química do silicio co aire da atmosfera, unha capa de óxido cuxo espesor constitúe unha corrección significativa créase na superficie da esfera. A medida do devandito grosor de capa foi realizado por elipsetometría. Cada unha destas medidas foi realizada por máis dun instituto sempre que fose posible, garantindo así a calidade deles. Coa realización destas medidas, a constante de Avogadro determinouse cunha típica incerteza relativa de 3 x 10-8.

a partir de 2011, as esferas do proxecto inicial foron pulidas de novo (xa que se detectou iso A súa superficie probablemente estaba contaminada polo polaco inicial) e as medidas de todos os parámetros por unha nova determinación da constante de Avogadro, realizáronse na NA. Na maioría dos casos, melloraron os instrumentos de medición e as súas incertezas. Tras esta continuación do proxecto, conseguiuse unha nova determinación da constante cunha incerteza relativa típica de 2 x 10-8. Este é un gran logro, xa que esta incerteza xa satisfai un dos requisitos para facer a redefinición do quilogramo. Para este propósito, o PTB, o Nimj eo Inrim continuaron a colaborar e o PTB fabricou novas esferas con mellor enriquecemento.

Neste proceso, os problemas constatados por DRIM na determinación da rede constante ás correccións de difracción do feixe e do efecto da tensión superficial.Tras este descubrimento, as correspondentes correccións dos valores para a constante de Avogadro xa contribuíron en 2011 e 2015 foron feitos. Ademais, a capa de óxido superficial foi medida por outras técnicas (espectroscopia de fotoelectróns emitida por raios X e fluorescencia de raios X ), así como as prazas de rede e posibles impurezas a través de diversas técnicas topográficas e espectroscópicas. Como resultado desta colaboración, publicouse dous novos valores para a constante de Avogadro, un conxunto cunha incerteza relativa típica de 1,2 x 10-8 e só determinada das medidas NMIJ cunha incerteza relativa típica de 2, 4 x 10-8.

O outro método para determinar a masa da constante de Planck é a escala de kibble. Neste método, a determinación da masa m lévase a cabo en dúas fases: a fase pesada ea fase dinámica. Estas fases poden ser tomadas unha tras outra ou á vez.

Na fase pesada, a forza gravitacional MG está equilibrada coa forza electromagnética producida por unha bobina de lonxitude inmerso dentro dun campo de densidade de fluxo magnético B cando unha corrente I1 pasa pola bobina. A xeometría do imán e a bobina está deseñada para producir unha forza puramente vertical. A aceleración da gravidade que actúa sobre a masa e a actual I1 que pasa pola bobina medíase simultaneamente para que a ecuación sexa cumprida

Na fase dinámica, a tensión U2 que está inducida nos terminales da mesma bobina que se mide cando se move verticalmente a velocidade V na mesma dirección que a densidade de fluxo magnético B. é a tensión que a ecuación é dada pola ecuación:

ecuacións (4) e (5) pódese combinar para eliminar o produto BL (unha determinación experimental difícil con algúns Precisión), eliminando a ecuación

A actual i1 pode determinarse usando a lei OHM medindo a caída de tensión U1 nos terminales dunha resistencia R. Ambas as tensións U1 e U2 pódense rastrexar ao efecto Josephson, onde o valor da constante Josephson KJ é igual a

Ser a carga electrónica. Do mesmo xeito, a resistencia r pode medirse en función do efecto cuántico do salón onde o valor da resistencia coñecida como von klitzing rk é dada pola seguinte expresión

É entón que a segunda parte da ecuación (6) pode expresarse no formulario

Onde f é a frecuencia do microondas co que a mostra de Josephson e B é irradiada é un produto adimensional de parámetros que permiten rastrexar a parte eléctrica do experimento á sala de Josephson e Quantum.

Como resultado, a masa ten que depender únicamente da constante de Planck de acordo coa seguinte expresión

magnitudes de GYV pódese medir respectivamente mediante un gravímetro e interferómetro adecuado.

O primeiro experimento deste tipo que se realizou con intención de dar a rastreabilidade ao quilogramo que tiña lugar en 1976 en 1976 o NPL (Reino Unido). A partir de entón ocorreron moitos experimentos. O NIST (Estados Unidos) realizou o seu primeiro dispositivo experimental en 1980 e publicou os seus primeiros resultados en 1998. Os seus últimos resultados son do seu cuarto dispositivo experimental co que obtiveron unha incerteza relativa típica para a constante de Planck de 1,3 x 10-8. O NPL transferiu o seu dispositivo experimental ao NRC (Canadá), que obtivo resultados para a constante de Planck cunha incerteza relativa típica de 9,1 x 10-9, que é a máis pequena incerteza ata a data. O LNO (Francia) foi outro instituto para determinar a constante de Planck cunha incerteza típica relativa de menos de 10-7, específicamente 5,7 x 10-8.

Outros institutos tamén están a traballar na determinación de H , p. por exemploObxectivos (Suíza), que comezaron a reunir o seu primeiro dispositivo experimental en 1997 e xa está a instalar o seu segundo dispositivo e o BIPM. O NIM (China) comezou a traballar nunha variante coñecida como o equilibrio de Joule co que, co seu segundo dispositivo experimental, lograron unha incerteza típica relativa de 2,4 x 10-7. Outros institutos como o MSL (Nova Zelanda), Kriss (Corea) e UME (Turquía) tamén teñen publicacións sobre os seus respectivos dispositivos experimentais. Tamén hai outros institutos que declararon a súa intención de desenvolver os seus propios dispositivos experimentais como NMJ (Xapón) e NPLI (India). O NPL tamén retomou o equilibrio do proxecto Kibble e está a facer un novo dispositivo coa idea de desenvolver unha versión comercial.

Determinación da constante de Planck

En 2017, a Comité de datos, do Consello Internacional de Ciencia (CODATA) estableceu o valor da constante de Planck en función dos resultados experimentais que se obtiveron ata a data cunha típica incerteza relativa de menos de 10-7. Anteriormente en 2016 á consistencia dos resultados, realizouse un estudo piloto, que comparou os diferentes experimentos co prototipo de kilogramo internacional. Este estudo obtivo moi bos resultados, aínda que no mesmo os institutos non deron as mesmas incertezas publicadas máis tarde para a súa determinación da constante de Planck. A situación atopada en 2017 por Ciodata para determinar a constante de Planck era diferente, xa que había discrepancias claras (ver a figura 5).

Tendo en conta esta situación, CODATA tivo que aumentar as incertezas das diferentes encarnimentos Primaria gañando un valor de h igual a 6.626 070 150 (69) × 10-34 JS; é dicir, cunha incerteza relativa típica de 1 x 10-8. Os resultados de Cicata 2017 son recollidos.

Redinición de quilogramo ea súa materialización

O 20 de maio de 2019 é a data escollida para a entrada en vigor do sistema internacional revisado. A partir desta data o quilogramo será definido como “a masa do prototipo de kilogramo internacional “Para definir a configuración da constante de Planck co valor numérico establecido por CODATA. A definición do quilogramo será “kilogramo, símbolo de kg, é a unidade se de masa. Está definido ao solucionar o valor numérico da constante de Planck, H, a 6.626 070 15 × 10-34, cando se expresa na unidade J · S, igual a KG M2S-1, onde o metro eo segundo están definidos dependendo de CY \ (\ Delta {{{\ Upsilon} CS \) “.

Isto ten unha consecuencia importante desde entón, A partir deste momento, a incerteza do prototipo internacional do kilogramo convértese en cero para ter un valor que será, loxicamente, o valor da incerteza coa que se determinou a constante de Planck; é dicir, 10 μg. Ademais, como a definición de O quilogramo deixa de depender do prototipo internacional, considérase que a súa masa pode variar ao longo do tempo, de xeito que a incerteza asociada aumentará. Esta situación fará que algúns institutos de metroloxía nacionais poidan modificar as súas capacidades de medición. E a calibración, polo tanto, aínda que isto debería non afectar o nivel de usuario i Nustrial; Isto é, para a calibración de pesos de clase E1 de acordo coa recomendación internacional Oiml R 111, que son o máis alto nivel de precisión.

Este cambio non tería relevancia se houbo experimentos suficientes e consistentes para a realización do quilogramo, pero este non é o caso como se menciona na sección anterior. Polo tanto, é necesario determinar un valor de consenso entre os diferentes experimentos para a materialización do quilogramo, xa que se non a incerteza de que crecería indefinidamente, ademais de falta dunha referencia. A forma de determinar este valor de consenso será a través das comparacións clave pilotadas polo BIPM. Ademais, o BIPM encargarase de garantir a estabilidade da unidade durante este período, así como a súa difusión aos Institutos Nacionais de Metrología, aínda que é posible que os Institutos Nacionais de Metrología con actuacións primarias do quilogramo difundan a unidade Tamén se pode permitir a axuda das correccións determinadas a partir do valor de consenso.

Para estas tarefas, o BIPM terá 12 prototipos de platino-iridio de 1 kg cuxa estabilidade estará garantida mediante un conxunto de artefactos de valor nominal 1 kg, de diferentes materiais, mantidos en diferentes condicións ambientais, En forma de que a media ponderada do valor masivo destes artefactos (o seu valor de referencia) é máis estable no tempo (ou, polo menos, a súa variación é máis previsible). Este conxunto de artefactos está formado por catro cilindros de platino-iridio, catro cilindros de aceiro inoxidable e catro esferas de silicio, así como outros artefactos destes materiais para estudos de desorción de adsorción. Cada un destes catro elementos de diferente material mantense en diferentes atmosfera controlada: aire, baleiro, nitróxeno e argón. O comportamento deste conxunto de artefactos está actualmente en estudo.

Espérase que no futuro haberá un número suficiente de encarnacións de quilogramo primario que sexan consistentes entre si de xeito que a determinación do valor de consenso é innecesario e pode difundir a unidade por si mesmos, garantindo a súa compatibilidade a través de comparacións clave, como é o caso das outras unidades básicas.

Conclusións

Este artigo intentou describir o problema da definición actual de quilogramo, así como os experimentos que se realizaron para poder facer a súa redefinición. Tamén describe a situación que se xerará cando se realice a redefinición, dado que os primeiros e consistentes de encarnacións primarias aínda non están dispoñibles para que cada un deles sexa capaz de materializar o quilogramo con garantías e as accións que se decidiron en internacionais nivel para minimizar o impacto.

Actualmente está claro que o papel do BIPM seguirá sendo fundamental para a realización da unidade de masa. Tamén é probable que permaneza no futuro xa que, como foi evidente polas explicacións das seccións anteriores, os experimentos para a realización primaria do quilogramo coa incerteza buscada son complexos, laboriosos e económicamente moi caros. É moi probable que as complementos experimentais non se poidan realizar coa frecuencia desexada e serán necesarias para o BIPM para manter e difundir a unidade, como un organismo independente.