2019: a definição do quilograma sobre se revisada

Mª Nieves Medina Martín (1)
Luis Omar Becerra Santiago (2)
Angel Lumbreras Justia (1)
(1) Centro de Metrologia Espanhola
C / Alfar, 2
28760 Três Cantos (Madri)
(1) 91 807 47 89 [email protected]
(2) Centro de Metrologia Nacional (CENAM)
KM 4.5 Highway A Los Marqués (Querétaro)
México

Resumo: O artigo tem como objetivo descrever o problema da definição atual de quilograma e as ações que foram realizadas para sua redefinição em que foi revisado. Os dois métodos são discutidos em particular, os experimentos que vão permitir a realização da nova definição, bem como a situação atual desses experimentos. O problema aristado por esta situação e futuras linhas de ação também são discutidos para garantir a disseminação e manutenção da unidade. Palavras-chave: sistema internacional, redefinição, quilograma
resumo: O artigo tem como objetivo descrever os problemas da corrente Definição do quilograma e as ações que foram realizadas para redefinição de sites na revisão Sim. Os dois métodos em que os experimentos que alamarão a realização, assim como a situação atual desses experimentos. Também discute os problemas decorrentes desta situação e futuras linhas de ação para entrar na disseminação e manutenção da unidade.
Palavras-chave: sistema internacional, redefinição, quilograma

Introdução

Das sete unidades do SI – o medidor, o quilograma, o segundo, o amplificador, o kelvin, a toupeira e a vela – apenas o quilograma é definido em termos de um artefato material.

A massa é a última magnitude básica cuja unidade é referenciada a um artefato materializado. Assim, a unidade de massa, quilograma (kg) é definida como a massa do protótipo de quilograma internacional. Esta definição foi sancionada em 1901 durante a 3ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (3º CGPM). O protótipo de quilograma internacional é depositado desde 1889 no Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) e é um artefato cilíndrico, com 39 mm de altura e diâmetro, fabricado em 90% de platina e 10% do Iridium, com uma densidade de aproximadamente 21 500 kg / m3. O quilograma é definido como a massa deste protótipo internacional de quilograma, sendo a sua incerteza zero, por definição.

Em comparação com outras unidades básicas, há uma diferença fundamental: tanto a definição quanto a realização do quilograma estão ligadas a Um objeto concreto. Isso significa que a unidade de massa, até agora, não pode ser transferida com uma precisão melhor do que a permitida pela comparação de massa com o protótipo internacional do quilograma.

A grande maioria dos países signatários do Convenção de metrô também mantém protótipos de platina-irídio de características semelhantes ao protótipo de quilograma internacional. O valor de massa desses protótipos é rastreado, por comparação em um equilíbrio, o protótipo de quilograma internacional e é a referência para a magnitude de massa em cada país.

FIG. 1: Imagem de um dos protótipos de platina-Iridium disponível para o centro de metrologia espanhola. Marcado como K24, é declarado como um padrão nacional de acordo com a Ordem ITC / 2432/2006, julho 20.

o bipm Retido em igualdade de condições o protótipo internacional de quilograma e seis outros protótipos (cópias) que têm as mesmas características físicas. A massa do protótipo internacional de quilograma foi comparada com cada uma das seis cópias em quatro ocasiões, como nos protótipos nacionais, em 1889, 1946, 1991 e 2014, tem provado que o valor médio de massa das seis cópias aumentou Com o tempo da massa do protótipo internacional de quilograma, com uma deriva aproximada de 50 μg em 100 anos, embora na última comparação, disse que a droga não é observada (ver fig. 2). Essa mudança no valor de massa é ótima se for levada em conta que a atual incerteza atribuída aos protótipos mantidos pelos países signatários da Convenção do Metrô é do décimo desse valor.

Por outro lado, há o grande número de limitações que significa ter a definição de uma unidade como um artefato físico: só está disponível em um só lugar, ele pode ser danificado ou simplesmente destruído, Absorve as moléculas da atmosfera e deve ser cuidadosamente limpa através de um método pré-estabelecido, não pode ser usado rotineiramente pelo perigo de desgaste, o material que constitui o protótipo internacional está sujeito a possíveis mudanças no tempo e sua deriva não é previsível.

figo. 2: Variação da massa de cópias 1, 7, 841, 32, 43, 47 com relação à massa do protótipo internacional de quilograma. Os dados são.

Para tudo isso, a tendência geral é que as unidades básicas são definidas por experimentos que os relacionam com as constantes física da natureza. e / ou propriedades de átomos. A partir do acima, já existem dois exemplos claros: o metrô e o segundo. Assim, o medidor é definido como o comprimento que atravessa a luz in vácuo em 1/299 792 458 segundos, portanto, o medidor é encaminhado à velocidade de luz in vácuo, que é precisamente 299 792 458 m / s (pelo acordo internacional ). O segundo para sua parte é definido como a duração dos 9 192 631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis de hiperfina do estado fundamental do Cesio Atom 133. Para esta definição foi adicionado em 1997, que os átomos tiveram que estar em repouso e uma temperatura termodinâmica de 0 k. Essas definições permitem reproduzir unidades de longo e tempo em qualquer parte do mundo, realizando os experimentos correspondentes e evitando a dependência de um objeto físico, sujeito aos riscos acima mencionados.

Por todas estas limitações, um esforço internacional foi realizado há mais de 30 anos para relacionar a massa do protótipo de quilograma internacional a uma constante fundamental, com uma incerteza pequena o suficiente Permite substituir a definição atual do quilograma. Estes trabalhos foram intensificados desde 2005 por ocasião da Recomendação 1 (IC-2005) do Comitê Internacional de Peso e Medidas (CIPM), que instou a comunidade científica para acelerar o trabalho para modificar as definições e os efeitos primários do quilograma, o amperio, Kelvin e Mol, com base em constantes fundamentais. Como conseqüência do acima, na Resolução 1 do 24º CGPM estabelece-se que o amplificador (a) deve ser definido de acordo com a carga do elétron (E), o mol (mol) de acordo com a constante de AVOGADRO (NA) , o Kelvin (K) de acordo com a constante de Boltzmann (K) e o quilograma (kg) de acordo com a constante de Planck (H).

A redefinição das unidades básicas em função das constantes fundamentais deve ser feita Para que novas definições não afetem a pirâmide de rastreabilidade, que os usuários não têm um aumento na incerteza em suas calibrações. No caso específico do quilograma, são satisfeitas as seguintes condições: que existem pelo menos três experimentos independentes que dão origem a valores de quilograma, desde a constante de Planck, consistindo umther para um nível de confiança de 95% com incertezas relativas típicas não maior que 5 x 10-8. Além disso, pelo menos uma das experiências acima deve ter uma incerteza típica relativa não maior que 2 x 10-8.

desenvolvimentos experimentais

para todos os mencionados acima, é claro que um A unidade deve ser invariante ao longo do tempo, e a melhor maneira de garantir isso é que está relacionado a invariantes da natureza, como constantes físicas fundamentais e as propriedades dos átomos. Atualmente, existem basicamente dois métodos que relacionam experimentalmente a massa com constantes físicas fundamentais, com uma incerteza suficientemente pequena para que a pirâmide de rastreabilidade da unidade não seja afetada. Esses métodos são o método AVOGADRO e a escala da Kiber, anteriormente chamado de equilíbrio de energia.

O método AVOGADRO também é conhecido como o método XRCD (proveniente de inglês “X-Ray-Cristal-density”, cristalino de densidade por Raios-x, também conhecidos como difração de raios X). O conceito desse método vem da ideia clássica de que a massa de uma substância pura pode ser expressa de acordo com o número de entidades elementares da referida substância. Este número pode ser medido por O método xcrd para cristal praticamente perfeito com constante de rede e volume vs.

Graças aos grandes avanços da indústria de semicondutores, um grande silício monocristals pode estar disponível com uma alta pureza e sem deslocamentos.Também pode ser alcançado que o dito de vidro contém virtualmente um único isótopo, o 28si.

Para um desses monocristais, o volume macroscópico vs. de um cristal é igual ao volume de cada átomo multiplicado pelo número de átomos do cristal, sendo este número, no caso do cristal de silicone:

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

Como a unidade de silício (cúbico e borda A) tem 8 átomos (ver Fig. 3).

Este experimento refere a massa com uma constante fundamental, a constante de Avogadro, que é definida como o número de entidades elementares que existem em uma mole de uma substância. Desde a massa molar dos 28si, m (28si), é conhecido, é claro que a massa de um cristal de silício pode ser determinada, pela seguinte expressão:

da expressão anterior, missa conhecida m avogadro constante e vice-versa.

Caption> Fig 3: unidade de silicone celular. Cada unidade celular tem 8 átomos: Existem 4 átomos internos, 8 átomos nos vértices (cada atom Um vértice é compartilhado por outras oito células) e 6 átomos nos rostos (cada atom um lado é compartilhado por duas células).

Relacionar a massa com a constante da Planck, a próxima equação é levada em conta, na qual outras constantes fundamentais aparecem,

Onde M (E) é a massa molar do elétron, C é a velocidade da luz in vácuo, α é a constante da estrutura fina e R∞ é a constante de Rydberg. O valor da NA Constante, de acordo com a CICATA 2014 e 2017 pode ser determinado com uma incerteza relativa de 4,5 x 10-10, de modo que a determinação da constante AVOGADRO através deste método permite determinar a constante de Planck sem aumento na incerteza. Houve várias tentativas ao longo da história para determinar a constante de Avogadro através de medições em um cristal de silício. A fim de contribuir para a realização do quilograma, destaca um projeto de cooperação internacional chamado “Coordenação Internacional de AVOGADRO” (IAC) Neste projeto de cooperação, as instituições em todo o mundo participaram: BIPM, IRMM (União Européia), Inrim (Itália ), Nist (Estados Unidos), NMJ (Japão), NML (Austrália), NPP (Reino Unido) e PTB (Alemanha). Os resultados deste projeto são publicados.

neste projeto pretende Determine a constante AVOGADRO de uma esfera de 1 kg de silício monocristal ultrapure isotopicamente enriquecido (praticamente apenas o isótopo 28 se estiver presente). Para a determinação da constante de AVOGADRO, foi necessário determinar a constante da rede de silício A, que é mereceu Por meio da difração de raios X, o volume da esfera vs, por meio de interferómetros especialmente projetados para medir o diâmetro e arredondamento da esfera, a massa molar m (28si), que foi realizada por espectrometria de Massas e massa m que mediram o BIPM com rastreabilidade direta ao protótipo de quilograma internacional. Por outro lado, deve-se ter em mente que, devido à interação química do silício com o ar da atmosfera, uma camada de óxido cuja espessura constitui uma correção significativa é criada na superfície da esfera. A medição da referida espessura da camada foi realizada por elipsometria. Cada uma dessas medidas foi realizada por mais de um instituto, desde que seja possível, garantindo assim a qualidade deles. Com a realização dessas medidas, a constante AVOGADRO foi determinada com uma incerteza relativa típica de 3 x 10-8.

A partir de 2011, as esferas do projeto inicial foram polidas novamente (desde que foi detectada que Sua superfície provavelmente estava contaminada pelo polimento inicial) e as medições de todos os parâmetros para uma nova determinação da constante AVOGADRO, na NA. Na maioria dos casos, os instrumentos de medição e suas incertezas foram melhorados. Após essa continuação do projeto, uma nova determinação da constante foi alcançada com uma típica incerteza relativa de 2 x 10-8. Esta é uma grande conquista, já que esta incerteza já satisfaz um dos requisitos para tornar a redefinição do quilograma. Para este propósito, o PTB, o NIMJ e o INrim continuaram a colaborar e o PTB fabricou novas esferas com melhor enriquecimento.

Neste processo, o INRIs detectou problemas na determinação da constante da rede devido às correções de difração do feixe e do efeito da tensão superficial.Após esta descoberta, as correspondentes correções dos valores da constante AVOGADRO já contribuíram em 2011 e 2015 foram feitas. Além disso, a camada de óxido de superfície foi medida por outras técnicas (espectroscopia fotoelectron emitida por raios-x e fluorescência de raios X ), bem como vagas de rede e possíveis impurezas através de várias técnicas topográficas e espectroscópicas. Como resultado dessa colaboração, dois novos valores foram publicados para a constante Avogadro, um conjunto com uma incerteza relativa típica de 1,2 x 10-8 e um determinado apenas das medições NMIJ com uma típica incerteza relativa de 2, 4 x 10-8.

O outro método para determinar a massa da constante da Planck é a escala da Kiber. Neste método, a determinação da massa M é realizada em duas fases: a fase pesada e a fase dinâmica. Essas fases podem ser tomadas uma após a outra ou simultaneamente.

Na fase pesada, a força gravitacional mg é equilibrada com a força eletromagnética produzida por uma bobina de comprimento que imerso dentro de um campo de densidade de fluxo magnético quando uma corrente I1 passa pela bobina. A geometria do ímã e a bobina é projetada para produzir uma força puramente vertical. A aceleração da gravidade G que atua na massa e atual I1 que passa através da bobina são medidas simultaneamente para que a equação seja cumprida

Na fase dinâmica, a tensão U2 que é induzida nos terminais da mesma bobina é medida ao se mover verticalmente à velocidade V na mesma direção que a densidade do fluxo magnético B. é a tensão é dada pela equação:

equações (4) e (5) podem ser combinadas para remover o produto BL (como uma determinação experimental difícil com alguns Precisão), removendo a equação

O atual I1 pode ser determinado usando a lei do OHM medindo a queda de tensão U1 Nos terminais de um resistor R. Ambas as tensões U1 e U2 podem ser atribuídas ao efeito Josephson, onde o valor da constante Josephson KJ é igual a

Sendo a carga eletrônica. Da mesma forma, a resistência R pode ser medida dependendo do efeito Quantum Hall, onde o valor da resistência conhecido como von Klitzing RK é dado pela seguinte expressão

É então que a segunda parte da equação (6) pode ser expressa no formulário

em que f é a frequência de microondas com a qual a amostra de Josephson e B é irradiada é um produto adimensional de parâmetros que permitem traçar a parte elétrica do experimento para Josephson e Quantum Hall.

Como resultado, a massa tem que depende apenas na constante do Planck de acordo com a seguinte expressão

gyv magnitudes pode ser medido respectivamente por meio de um gravimeter e interferômetro adequado.

O primeiro experimento deste tipo que foi realizado com a intenção de dar rastreabilidade ao quilograma em 1976 em o NPL (Reino Unido). A partir de então, muitos experimentos aconteceram. O NIST (Estados Unidos) realizou seu primeiro dispositivo experimental em 1980 e publicou seus primeiros resultados em 1998. Seus últimos resultados são de seu quarto dispositivo experimental com o qual eles obtiveram uma típica incerteza relativa para a constante Planck de 1,3 x 10-8. O NPL transferiu seu dispositivo experimental para o NRC (Canadá), que obteve resultados para a constante Planck com uma incerteza relativa típica de 9,1 x 10-9, que é a menor incerteza até à data. O LNO (França) tem sido outro institutos para determinar a constante Planck com uma incerteza relativa típica inferior a 10-7, especificamente 5,7 x 10-8.

Outros institutos também estão trabalhando na determinação de H p. por exemploObjetivos (Suíça), que começou a montar seu primeiro dispositivo experimental em 1997 e já está instalando seu segundo dispositivo, e o BIPM. O NIM (China) começou a trabalhar em uma variante conhecida como o equilíbrio de Joule com o qual, com seu segundo dispositivo experimental, alcançou uma incerteza típica relativa de 2,4 x 10-7. Outros institutos como o MSL (Nova Zelândia), Kriss (Coréia) e o Ume (Turquia) também têm publicações sobre seus respectivos dispositivos experimentais. Há também outros institutos que declararam sua intenção de desenvolver seus próprios dispositivos experimentais, como NMJ (Japão) e NPLI (Índia). O NPL também foi retomado o projeto de balança do Kibble e está fazendo um novo dispositivo com a ideia de desenvolver uma versão comercial.

Determinação da constante de Planck

em 2017, Comitê de Dados, do Conselho Internacional de Ciência (Codata) estabeleceu o valor da constante da Planck baseada nos resultados experimentais que haviam sido obtidos até à data com uma típica incerteza relativa inferior a 10-7. Anteriormente em 2016 para consistir os resultados, havia sido realizado um estudo piloto, que comparou os diferentes experimentos com o protótipo de quilograma internacional. Este estudo obteve resultados muito bons, embora no mesmo que os institutos não deram as mesmas incertezas que mais tarde publicaram para sua determinação da constante da Planck. A situação encontrada em 2017 pela CIODATA para determinar a constante de Planck foi diferente, uma vez que havia discrepâncias claras (ver fig. 5).

Tendo em vista dessa situação, Codata teve que aumentar as incertezas das diferentes formas de realização Obtenção primária de um valor igual a 6.626 070 150 (69) × 10-34 js; isto é, com uma típica incerteza relativa de 1 x 10-8. Os resultados da CICATA 2017 são coletados em.

Quilograma Redefinição e sua materialização

Em 20 de maio de 2019 é a data escolhida para a entrada em vigor do sistema internacional revisado. A partir desta data, o quilograma será definido como “a massa do protótipo internacional de quilograma. “Para ser definido definindo a constante de Planck com o valor numérico estabelecido pela Codata. A definição do quilograma será “quilograma, símbolo KG, é a unidade de massa. É definido ao corrigir o valor numérico da constante de Planck, H, a 6.626 070 15 × 10-34, quando expresso na unidade J · S, igual a kg m2s-1, onde o medidor e o segundo são definidos dependendo do CY \ (\ delta {{\ upsilon} cs \) “.

Isto tem uma consequência importante desde A partir deste momento, a incerteza do protótipo internacional do quilograma se torna zero para ter um valor que será, logicamente, o valor da incerteza com o qual a constante de Planck foi determinada; isto é, 10 μg. Além disso, como a definição de O quilograma pára dependendo do protótipo internacional, considera-se que sua massa pode variar ao longo do tempo, de modo que a incerteza associada aumentará. Essa situação fará alguns institutos de metrologia nacional precisam modificar suas capacidades de medição. E a calibração, embora isso não afetar o nível do usuário i Nustial; Isto é, para a calibração de pesos de classe E1 de acordo com a recomendação internacional OIML R 111, que são o mais alto nível de precisão.

Esta mudança não teria relevância se houvesse experimentos suficientes e consistentes para a realização do quilograma, mas este não é o caso mencionado na seção anterior. Portanto, é necessário determinar um valor de consenso entre os diferentes experimentos para a materialização do quilograma, uma vez que, se não a incerteza cresceria indefinidamente, além da falta de referência. A maneira de determinar este valor de consenso será através de comparações-chave pilotadas pelo BIPM. Além disso, o BIPM será responsável por garantir a estabilidade da unidade durante este período, bem como a sua divulgação aos Institutos Nacionais de Metrologia, embora seja possível que os Institutos Nacionais de Metrologia com os desempenhos primários do quilograma disseminem a unidade Também pode ser permitido com a ajuda das correções determinadas a partir do valor do consenso.

Para estas tarefas, o BIPM terá 12 protótipos de platina-irídio de 1 kg cuja estabilidade será garantida por meio de um conjunto de artefatos de valor nominal 1 kg, de diferentes materiais, mantidos em diferentes condições ambientais, Em forma de que a média ponderada do valor de massa desses artefatos (seu valor de referência) é mais estável no tempo (ou, pelo menos, sua variação é mais previsível). Este conjunto de artefatos é formado por quatro cilindros de platina-irídio, quatro cilindros de aço inoxidável e quatro esferas de silicone, bem como outros artefatos desses materiais para estudos de dessorção de adsorção. Cada um desses quatro elementos de material diferente é mantido em diferentes atmosferas controladas: ar, vácuo, nitrogênio e argônio. O comportamento deste conjunto de artefatos está atualmente em estudo.

6: Imagem do laboratório onde os conjuntos de artefatos são mantidos. À esquerda, você pode ver os recipientes para nitrogênio e argônio. À direita estão os recipientes para vácuo. Em primeiro plano há equipamentos de análise de gás. Cortesia do bímico

Espera-se que no futuro haja um número suficiente de formas de formas primárias de quilograma que sejam consistentes entre si de modo que a determinação do valor do consenso é desnecessária e pode disseminar a unidade por si mesmos, garantindo sua compatibilidade por meio de comparações-chave, como é o caso das outras unidades básicas.

Conclusões

Este artigo tentou descrever o problema da definição atual de quilograma, bem como os experimentos que foram executados para poder tornar sua redefinição. Também descreve a situação que será gerada quando a redefinição é feita, uma vez que as formas de realização primárias precoce e consistente ainda não estão disponíveis para que cada uma delas seja capaz de materializar o quilograma com garantias e as ações que foram decididas realizadas em Nível para minimizar o impacto.

No momento, é claro que o papel do BIPM permanecerá fundamental para a realização da unidade de massa. Também é provável que permaneça no futuro, uma vez que tem sido evidente pelas explicações das seções anteriores, os experimentos para a principal realização do quilograma com a incerteza procurados são complexos, laboriosos e economicamente muito caros. É muito provável que as formas de realização experimental não possam ser realizadas com a frequência desejada e serão necessárias para o BIPM para manter e disseminar a unidade, como um organismo independente.