2019: la definizione del chilogrammo su se rivisto

Mª Nieves Medina Martín (1)
Luis Omar Becerra Santiago (2)
Angel Lumbreras Justyia (1)
(1) Centro di metrologia spagnolo
C / ALFAR, 2
28760 Tres Cantos (Madrid)
(1) 91 807 47 89 [email protected]

(2) Centro nazionale Metrology (Cenam)
km 4.5 Autostrada A Los Marqués (Querétaro)
Messico

Summary: L’articolo mira a descrivere il problema della definizione attuale di chilogrammo e delle azioni che sono state effettuate per la sua ridefinizione in cui è stata rivista. I due metodi sono discussi in particolare, gli esperimenti che consentiranno la realizzazione della nuova definizione e la situazione attuale di questi esperimenti sono descritti. Il problema è stato anche discusso da questa situazione e le future linee di azione sono anche discusse per garantire la diffusione e la manutenzione dell’unità.
Parola chiave: Sistema internazionale, ridefinizione, chilogrammo
Abstract: L’articolo mira a descrivere i problemi della corrente Definizione del chilogrammo e delle azioni che sono state eseguite per i siti ridefinizione nel sì rivisto. I due metodi su cui sono descritti gli esperimenti che ammetteranno la realizzazione e la situazione attuale di questi esperimenti. Discute inoltre i problemi derivanti da questa situazione e le future linee di azione per inserire la diffusione e la manutenzione dell’unità.
Parole chiave: sistema internazionale, ridefinizione, chilogrammo

Introduzione

Delle sette unità del si – il contatore, il chilogrammo, il secondo, l’amplificatore, il kelvin, la talpa e la candela – solo il chilogrammo è definito in termini di un artefatto materiale.

La massa è l’ultima magnitudine di base la cui unità è referenziata a un artefatto materializzato. Pertanto, l’unità di massa, chilogrammo (kg), è definita come la massa del prototipo del chilogrammo internazionale. Questa definizione è stata sanzionata nel 1901 durante la terza conferenza generale di pesi e misure (3 ° CGPM). Il prototipo del chilogrammo internazionale è depositato dal 1889 nell’ufficio internazionale di pesi e misure (Bipm) ed è un artefatto cilindrico, con 39 mm di altezza e diametro, fabbricato al 90% di platino e del 10% di Iridium, con una densità di circa 21 500 kg / m3. Chilogrammo è definito come la massa di questo prototipo di questo chilogrammo internazionale, essendo la sua incertezza zero, per definizione.

Rispetto ad altre unità di base c’è una differenza fondamentale: sia la definizione che la realizzazione del chilogrammo sono collegati a Un oggetto concreto. Ciò significa che l’unità di massa, fino ad ora, non può essere trasferita con una precisione migliore del permesso dal confronto di massa con il prototipo internazionale del chilogrammo.

la stragrande maggioranza dei paesi firmatari del La convenzione della metropolitana mantiene anche prototipi di platino-iridio di caratteristiche simili al prototipo del chilogrammo internazionale. Il valore di massa di questi prototipi è tracciato, confrontando in equilibrio, il prototipo del chilogrammo internazionale e sono il riferimento per la grandezza di massa in ogni paese.

FIG. 1: Immagine di uno dei prototipi di platino-iridio disponibile per il centro di metrologia spagnolo. Segnato come K24, è dichiarato come modello nazionale secondo l’ordine ITC / 2432/2006, 20 luglio.

the bipm it ha mantenuto in termini uguali il prototipo internazionale del chilogrammo e sei altri prototipi (copie) che hanno le stesse caratteristiche fisiche. La massa del prototipo internazionale del chilogrammo è stata confrontata con ciascuna delle sei copie in quattro occasioni, come con prototipi nazionali, nel 1889, 1946, 1991 e 2014. Ha dimostrato che il valore medio di massa delle sei copie è aumentato Nel tempo dalla massa del prototipo internazionale del chilogrammo, con una deriva approssimativa di 50 μg in 100 anni, anche se nell’ultimo confronto, detta deriva non è osservato, (vedere la figura 2). Questo cambiamento nel valore di massa è ottimo se viene preso in considerazione che l’attuale incertezza assegnata ai prototipi mantenuta dai paesi firmatari della Convenzione della Metropolitana è del decimo di questo valore.

D’altra parte, c’è il gran numero di limitazioni che significa avere la definizione di un’unità come artefatto fisico: è disponibile solo in un posto, può essere danneggiato o semplicemente distrutto, Assorbe le molecole dall’atmosfera e devono essere accuratamente pulite attraverso un metodo prestabilito, non può essere utilizzato regolarmente dal pericolo di usura, il materiale che costituisce il prototipo internazionale è soggetto a possibili cambiamenti nel tempo e la sua deriva non è prevedibile.

FIG. 2: Variazione della massa di copie 1, 7, 841, 32, 43, 47 rispetto alla massa del prototipo del chilogrammo internazionale. I dati sono.

Per tutto questo, la tendenza generale è che le unità di base sono definite da esperimenti che li relazionano con la fisica della natura costante e / o proprietà degli atomi. Da quanto sopra ci sono già due semplici esempi: la metropolitana e il secondo. Pertanto, il misuratore è definito come la lunghezza che attraversa la luce in vacuo in 1/299 792 458 secondi, quindi il misuratore è riferito alla velocità della luce in vacuo, che è con precisione 299 792 458 m / s (per accordo internazionale ). La seconda per la sua parte è definita come la durata dei 9 192 631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfina dello stato fondamentale del cesio Atom 133. A questa definizione è stata aggiunta nel 1997 che gli atomi dovevano essere a riposo e una temperatura termodinamica di 0 K. Queste definizioni consentono di riprodurre le unità di lungo e di tempo in qualsiasi parte del mondo, eseguendo gli esperimenti corrispondenti ed evitando la dipendenza da un oggetto fisico, Soggetto ai suddetti rischi.

A causa di tutte queste limitazioni uno sforzo internazionale è stato effettuato per più di 30 anni per mettere in relazione la massa del prototipo del chilogrammo internazionale a una costante fondamentale, con un’incertezza abbastanza piccola Permette di sostituire la definizione attuale del chilogrammo. Questi lavori sono stati intensificati dal 2005 in occasione della raccomandazione 1 (IC-2005) del comitato internazionale di peso e delle misure (CIPM), che ha esortato la comunità scientifica ad accelerare il lavoro per modificare le definizioni e gli effetti primari del chilogrammo, dell’Amperio, Kelvin e Mol, basati su costanti fondamentali. Come conseguenza di quanto sopra, nella risoluzione 1 del 24 ° CGPM è stabilito che l’AMP (A) deve essere definito in base al carico dell’elettrone (E), il mol (MOL) secondo la costante Avogadro (NA) , Kelvin (K) secondo il Boltzmann (k) costante e il chilogrammo (kg) secondo la costante di Planck (H).

La ridefinizione delle unità di base in funzione delle costanti fondamentali deve essere eseguita In modo che le nuove definizioni non influenzano la piramide della tracciabilità, che gli utenti non hanno un aumento dell’incertezza nelle loro calibrazioni. Nel caso specifico di chilogrammo, sono soddisfatte le seguenti condizioni: che ci sono almeno tre esperimenti indipendenti che danno luogo a valori di chilogrammo, dalla costante di Planck, costituiti l’uno dell’altro per un livello di fiducia del 95% con le tipiche incertezze relative non maggiore di 5 x 10-8. Inoltre, almeno uno degli esperimenti di cui sopra deve avere un’incertezza tipica relativa non superiore a 2 x 10-8.

Sviluppi sperimentali

Per tutti i quali sopra menzionati è chiaro che a L’unità deve essere invariante nel tempo, e il modo migliore per garantire che ciò sia correlato a invarianti della natura come costanti fisiche fondamentali e le proprietà degli atomi. Allo stato attuale, ci sono fondamentalmente due metodi che si riferiscono sperimentalmente la massa con costanti fisiche fondamentali, con un’incertezza sufficientemente piccola in modo che la piramide della tracciabilità dell’unità non sia influenzata. Questi metodi sono il metodo Avogadro e la scala di Kiby, precedentemente denominati saldo di potenza.

Il metodo Avogadro è noto anche come metodo XRCD (provenendo da inglese “X-ray-cristal-densità”, densità cristallina Raggi X, noto anche come diffrazione a raggi X). Il concetto di questo metodo deriva dall’idea classica che la massa di una sostanza pura può essere espressa in base al numero di entità elementari di detta sostanza. Questo numero può essere misurato da Il metodo XCRD per un cristallo praticamente perfetto con costante di rete e volume VS.

Grazie ai grandi progressi dell’industria dei semiconduttori, un grande silicio monocristals può essere disponibile con un’elevata purezza e senza dislocazioni.Può anche essere raggiunto che detto vetro contiene virtualmente un singolo isotopio, il 28 secondario.

per uno di questi monocristals, il volume macroscopico contro di un cristallo è uguale al volume di ciascun atomo moltiplicato per il numero Di atomi del cristallo, questo numero è, nel caso del cristallo del silicio:

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

poiché l’unità di silicio (cubica e bordo A) ha 8 atomi (vedi figura 3).

Questo esperimento riferisce la massa con una costante fondamentale, la costante Avogadro, che è definita come il numero di entità elementari che esistono in una talpa di una sostanza. Dal momento che la massa molare del 28 secondi, m (28 secondi), è noto, è chiaro che la massa di un cristallo di silicio può essere determinata, dalla seguente espressione:

dell’espressione precedente, la massa nota m Avogadro costanti e viceversa.

Per mettere in relazione la massa con la costante Planck, viene presa in considerazione la successiva equazione, in cui compaiono altre costanti fondamentali,

Dove M (E) è la massa molare dell’elettrone, C è la velocità della luce in vacuo, α è la costante della struttura fine e la R∞ è la costante di Rydberg. Il valore della costante NA H, secondo Cicata 2014 e 2017 può essere determinato con un’incertezza relativa di 4,5 x 10-10, in modo che la determinazione della costante Avogadro attraverso questo metodo permettesse di determinare la costante di Planck senza aumento dell’incertezza. Ci sono stati diversi tentativi nel corso della storia per determinare la costante Avogadro attraverso le misurazioni in un cristallo di silicio. Per contribuire alla realizzazione del chilogrammo, evidenzia un progetto di cooperazione internazionale denominata “Coordinamento internazionale Avogadro” (IAC). In questo progetto di cooperazione, le istituzioni in tutto il mondo hanno partecipato: Bipm, IRMM (Unione europea), INRIM (Italia ), NIST (Stati Uniti), NMJ (Giappone), NML (Australia), NPL (Regno Unito) e PTB (Germania). I risultati di questo progetto sono pubblicati in.

In questo progetto è inteso determinare la costante Avogadro da una sfera di 1 kg di silicio monocristallo ultrapuro isotopicamente arricchito (praticamente solo l’isotope 28 se è presente). Per la determinazione della costante Avogadro era necessario determinare la costante di rete del silicio A, che è unita Per mezzo della diffrazione a raggi X, il volume della sfera VS, mediante interferometri appositamente progettato per misurare il diametro e la rotondità della sfera, la massa molare m (28 secondi), che è stata eseguita da spettrometria di Messe e massa M che misuravano il Bipm con tracciabilità diretta al prototipo del chilogrammo internazionale. D’altra parte, dovrebbe essere tenuto presente che, a causa dell’interazione chimica del silicio con l’aria dell’atmosfera, uno strato di ossido il cui spessore costituisce una correzione significativa sulla superficie della sfera. La misurazione di detto spessore del livello è stata eseguita da Ellipsometry. Ognuna di queste misure è stata effettuata da più di un istituto a condizione che fosse possibile, garantendo così la qualità di loro. Con la realizzazione di queste misure, la costante Avogadro è stata determinata con una tipica incertezza relativa di 3 x 10-8.

A partire dal 2011, le sfere del progetto iniziale sono state lucidate (dal momento che è stato rilevato che La sua superficie era probabilmente contaminata dallo smalto iniziale) e le misurazioni di tutti i parametri per una nuova determinazione della costante Avogadro sono state eseguite. Nella maggior parte dei casi, gli strumenti di misura e le loro incertezze sono stati migliorati. Dopo questa continuazione del progetto, è stata raggiunta una nuova determinazione della costante con una tipica incertezza relativa di 2 x 10-8. Questo è un grande risultato, poiché questa incertezza soddisfa già uno dei requisiti per rendere la ridefinizione del chilogrammo. A tale scopo, il PTB, il NIMJ e l’INRIM hanno continuato a collaborare e il PTB ha prodotto nuove sfere con una migliore arricchimento.

In questo processo, i problemi rilevati INRIM nella determinazione della costante di rete dovuta alle correzioni per la diffrazione del raggio e l’effetto della tensione superficiale.Dopo questa scoperta, le correzioni corrispondenti dei valori per la costante Avogadro hanno già contribuito nel 2011 e nel 2015 sono state effettuate. Inoltre, lo strato di ossido di superficie è stato misurato da altre tecniche (spettroscopia fotoelettronica emessa da raggi X e fluorescenza a raggi X ), così come posti vacanti di rete e possibili impurità attraverso varie tecniche topografiche e spettroscopiche. Come risultato di questa collaborazione, sono stati pubblicati due nuovi valori per la costante Avogadro, un set con una tipica incertezza relativa di 1,2 x 10-8 e uno determinato solo dalle misurazioni NMIJ con una tipica incertezza relativa di 2, 4 x 10-8.

L’altro metodo per determinare la massa dalla costante di Planck è la scala di crocchetta. In questo metodo, la determinazione della massa m viene eseguita in due fasi: la fase pesante e la fase dinamica. Queste fasi possono essere prese una dopo l’altra o simultaneamente.

Nella fase pesante, la forza gravitazionale MG è bilanciata con la forza elettromagnetica prodotta da una lunghezza bobina l immersa all’interno di un campo di densità di flusso magnetico B quando una corrente I1 passa attraverso la bobina. La geometria del magnete e la bobina è progettata per produrre una forza puramente verticale. L’accelerazione della gravità G che agisce sulla massa e la corrente I1 che passa attraverso la bobina vengono misurate simultaneamente in modo che l’equazione sia soddisfatta

Nella fase dinamica, la tensione u2 che viene indotta nei terminali della stessa bobina viene misurata quando si sposta verticalmente a V velocità nella stessa direzione della densità del flusso magnetico B. La tensione è data dall’equazione:

Le equazioni (4) e (5) possono essere combinate per rimuovere il prodotto BL (come difficile determinazione sperimentale con alcuni Precisione), rimuovendo l’equazione

L’attuale I1 può essere determinato utilizzando la legge OHM misurando la tensione DROP U1 ai terminali di un resistore R. Entrambe le tensioni u1 e u2 possono essere rintracciate all’effetto Josephson, dove il valore della costante Josephson KJ è uguale a

Essere il carico elettronico. Allo stesso modo, la resistenza R può essere misurata a seconda dell’effetto della sala quantistica in cui il valore della resistenza noto come Von Klitzing RK è dato dalla seguente espressione

È quindi che la seconda parte dell’equazione (6) può essere espressa nel modulo

Dove f è la frequenza del microonde con cui il campione Josephson e B è irradiato è un prodotto adminsionale di parametri che consentono di rintracciare la parte elettrica dell’esperimento alla hall Josephson e Quantum.

Di conseguenza, la massa deve dipendere esclusivamente sulla costante Planck in base alla seguente espressione

Le magnitudini GYV possono essere misurate rispettivamente tramite un gravimetro e interferometro adatto.

FIG. 4: Schema delle fasi del bilanciamento del crogiolo. La parte della sinistra corrisponde alla fase pesante in cui la forza gravitazionale viene equilibrata con la forza elettromagnetica generata sulla bobina in un campo con densità di flusso magnetico B. La parte del destro corrisponde alla fase dinamica in cui la bobina si muove con velocità u nello stesso campo.

Il primo esperimento di questo tipo che è stato eseguito con intenzione di fornire la tracciabilità al chilogrammo aveva luogo nel 1976 a il NPL (Regno Unito). Da allora su molti esperimenti sono accaduti. The Nist (Stati Uniti) ha effettuato il suo primo dispositivo sperimentale nel 1980 e ha pubblicato i suoi primi risultati nel 1998. I suoi ultimi risultati sono dal suo quarto dispositivo sperimentale con il quale hanno ottenuto una tipica incertezza relativa per la costante di Planck di 1,3 x 10-8. Il NPL ha trasferito il suo dispositivo sperimentale al NRC (Canada), che ha ottenuto risultati per la costante di Planck con una tipica incertezza relativa di 9,1 x 10-9, che è la più piccola incertezza fino ad oggi. L’LNO (Francia) è stato un altro istituto per determinare la costante di Planck con una tipica incertezza relativa inferiore a 10-7, in particolare 5,7 x 10-8.

altri istituti stanno anche lavorando alla determinazione di H , p. per esempioGol (Svizzera), che ha iniziato a assemblare il suo primo dispositivo sperimentale nel 1997 e sta già installando il suo secondo dispositivo e il Bipm. Il NIM (Cina) ha iniziato a lavorare su una variante conosciuta come l’equilibrio di Joule con cui, con il suo secondo dispositivo sperimentale, ha raggiunto una relativa incertezza tipica di 2,4 x 10-7. Anche altri istituti come la MSL (Nuova Zelanda), Kriss (Corea) e l’Ume (Turchia) hanno pubblicazioni sui rispettivi dispositivi sperimentali. Ci sono anche altri istituti che hanno dichiarato la loro intenzione di sviluppare i propri dispositivi sperimentali come NMJ (Giappone) e Npli (India). Il NPL ha anche ripreso il Bilancia del progetto KIBL e sta effettuando un nuovo dispositivo con l’idea di sviluppare una versione commerciale.

Determinazione della costante Planck

nel 2017, il La commissione per i dati, del Consiglio internazionale per la Scienza (Codata) ha stabilito il valore della costante di Planck sulla base dei risultati sperimentali che erano stati ottenuti fino ad oggi con una tipica incertezza relativa inferiore a 10-7. Precedentemente nel 2016 alla coerenza i risultati, è stato condotto uno studio pilota, che ha confrontato i diversi esperimenti con il prototipo del chilogrammo internazionale. Questo studio ha ottenuto ottimi risultati, anche se nello stesso gli Istituti non hanno dato le stesse incertezze in seguito pubblicati per la loro determinazione della costante di Planck. La situazione trovata nel 2017 da parte di CoioData per determinare la costante Planck era diversa, dal momento che c’erano chiari discrepanze (vedere la figura 5).

FIG. 5: Valori della costante Planck delle diverse determinazioni sperimentali con incertezze inferiori a 10-7, Valore CIUUTATA 2014 e valore codata 2017, in ordine cronologico dall’alto verso il basso. Il valore NIST 98 non è stato preso in considerazione per la determinazione del valore EFFATA 2017. La banda interna verde è ± 2 × 10-8 e la banda esterna grigia ± 5 × 10-8. KB: equilibrio tra kibble; XRCD: metodo “Densità di cristallo a raggi X”.

In considerazione di questa situazione, Co Botola ha dovuto aumentare le incertezze delle diverse forme di realizzazione primario ottenendo un valore di H uguale a 6.626 070 150 (69) × 10-34 JS; cioè, con una tipica incertezza relativa di 1 x 10-8. I risultati di Cicata 2017 sono raccolti in.

Il chilogrammo ridefinizione e la sua materializzazione

il 20 maggio 2019 è la data scelta per l’entrata in vigore del sistema internazionale rivisto. Da questa data il chilogrammo sarà definito come “la massa del prototipo del chilogrammo internazionale “Da definire impostando la costante di Planck con il valore numerico stabilito da Codata. La definizione del chilogrammo sarà “chilogrammo, simbolo kg, è l’unità se di massa. È definito quando si fissa il valore numerico del Planck Constant, H, a 6,626 070 15 × 10-34, quando espresso nell’unità J · S, uguale a kg m2s-1, dove il misuratore e il secondo sono definiti a seconda della cy \ (\ delta {{{\ upsilon} cs \) “.

Questo ha una conseguenza importante da allora A partire da questo momento, l’incertezza del prototipo internazionale del chilogrammo diventa zero per avere un valore che sarà logicamente, il valore dell’incertezza con cui è stata determinata la costante di Planck; cioè, 10 μg. Inoltre, come la definizione di Il chilogrammo si ferma a seconda del prototipo internazionale, si ritiene che la sua massa può variare nel tempo, in modo che l’incertezza associata aumenti. Questa situazione farà modificare alcuni istituti di metrologia nazionale a modificare le loro capacità di misurazione. e calibrazione di conseguenza, anche se questo dovrebbe non influenza il livello dell’utente I Nustriale; Questo è, alla calibrazione dei pesi di classe E1 secondo la raccomandazione internazionale OIML R 111, che è il più alto livello di precisione.

Questo cambiamento non avrebbe alcuna rilevanza se ci fossero esperimenti sufficienti e coerenti per la realizzazione del chilogrammo, ma questo non è il caso come menzionato nella sezione precedente. Pertanto, è necessario determinare un valore di consenso tra i diversi esperimenti per la materializzazione del chilogrammo, poiché se non l’incertezza di esso sarebbe diventata indefinitamente, a parte la mancanza di un riferimento. Il modo per determinare questo valore di consenso sarà attraverso i confronti chiave pilotati dal Bipm. Inoltre, il Bipm sarà incaricato di garantire la stabilità dell’unità durante questo periodo, nonché la sua diffusione degli Istituti nazionali di metrologia, sebbene sia possibile che gli istituti nazionali di metrologia con le prestazioni primarie del chilogrammo diffondiscano l’unità Può anche essere consentito con l’aiuto delle correzioni determinate dal valore di consenso.

Per queste attività, il Bipm avrà 12 prototipi di platino-iridio di 1 kg la cui stabilità sarà garantita mediante un set di artefatti nominali di valore 1 kg, di diversi materiali, mantenuti in diverse condizioni ambientali, In forma che la media ponderata del valore di massa di questi artefatti (il suo valore di riferimento) è più stabile nel tempo (o, almeno, la sua variazione è più prevedibile). Questo set di artefatti è formato da quattro cilindri in platino-iridio, quattro cilindri in acciaio inossidabile e quattro sfere di silicio, oltre a altri manufatti di questi materiali per gli studi di adsorbimento-desorbimento. Ognuno di questi quattro elementi di materiale diverso viene mantenuto in atmosfera controllata diversa: aria, aspirapolvere, azoto e argon. Il comportamento di questo set di artefatti è attualmente in studio.

FIG. 6: Immagine del laboratorio in cui vengono mantenuti i set di artefatti. A sinistra puoi vedere i contenitori per azoto e argon. A destra ci sono i contenitori per il vuoto. In primo piano ci sono attrezzature di analisi del gas. Per gentile concessione del BIMP

Si prevede che in futuro ci sarà un numero sufficiente di forme di realizzazione di chilogrammi primari che sono coerenti tra loro In modo che la determinazione del valore di consenso non sia necessaria e può diffondere l’unità da soli, garantendo la sua compatibilità attraverso i confronti dei tasti, come nel caso delle altre unità di base.

CONCLUSIONI

Questo articolo ha cercato di descrivere il problema della definizione attuale di chilogrammo, così come gli esperimenti che sono stati effettuati per essere in grado di fare la loro ridefinizione. Descrive anche la situazione che verrà generata quando viene effettuata la ridefinizione, dato che le forme di realizzazione primarie precoci e coerenti non sono ancora disponibili in modo che ognuno di essi sia in grado di materializzare il chilogrammo con garanzie e le azioni che sono state decise a esibirsi in un International A livello per ridurre al minimo l’impatto.

Al momento è chiaro che il ruolo del Bipm rimarrà fondamentale per la realizzazione dell’unità di massa. È anche probabile che rimane in futuro, poiché è stato evidente dalle spiegazioni delle sezioni precedenti, gli esperimenti per la realizzazione primaria del chilogrammo con l’incertezza ricercati sono complessi, laboriosi ed economicamente molto costosi. È molto probabile che le forme di realizzazione sperimentali non possano essere eseguite con la frequenza desiderata e sarà necessario per il Bipm per mantenere e diffondere l’unità, come organismo indipendente.