2019: Definiția kilogramului de a fi revizuit

Mªves Medina Martín (1)
Luis Omarra Santiago (2)
Angel Lumbreras Justia (1)
(1) Centrul de Metrologie Spaniolă
C / Alfar, 2
28760 TRES CANTOS (Madrid)
(1) 91 807 47 89 [email protected]
(2) Centrul de Metrologie Națională (Cenam)
Km 4.5 Autostradă A Los Marqués (Querétaro)
Mexic

REZUMAT: Articolul urmărește să descrie problema definiției actuale a kilogramei și acțiunile care au fost efectuate pentru redefinirea sa în care a fost revizuită. Cele două metode sunt discutate în special, experimentele care vor permite realizarea noii definiții, precum și situația actuală a acestor experimente sunt descrise. Problema a apărut de această situație și linii viitoare de acțiune sunt, de asemenea, discutate pentru a garanta diseminarea și întreținerea unității.
Cuvânt cheie: Sistem internațional, redefiniție, kilogram
Rezumat: Articolul urmărește să descrie problemele curentului curent Definiția kilogramei și acțiunile care au fost efectuate pentru redefinirea site-urilor în revizuirea Da. Cele două metode pe care sunt descrise experimentele care vor provoca realizarea, precum și situația actuală a acestor experimente. De asemenea, discută despre problemele care decurg din această situație și linii viitoare de acțiune pentru a intra în diseminarea și întreținerea unității.
Cuvinte cheie: sistem internațional, redefiniție, kilogram

Introducere

din cele șapte unități ale Si – contorul, kilogramul, al doilea, amploarea, kelvin, molul și lumânarea – numai kilogramul este definit în termeni de artefact material.

Masa este ultima magnitudine de bază a cărei unitate este menționată la un artefact materializat. Astfel, unitatea de masă, kilogram (kg), este definită ca masa prototipului internațional Kilogram. Această definiție a fost sancționată în 1901 în timpul celei de-a treia conferințe generale de greutăți și măsuri (al treilea CGPM). Prototipul internațional Kilogram este depus din 1889 în Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri (BIPM) și este un artefact cilindric, cu o înălțime și diametru de 39 mm, fabricat la 89% platină și 10% iridiu, cu o densitate de aproximativ 21 500 kg / m3. Kilogramul este definit ca o masă a acestui prototip internațional de kilogram, fiind incertitudinea sa zero, prin definiție.

comparativ cu alte unități de bază există o diferență fundamentală: atât definiția, cât și realizarea kilogramei sunt legate de Un obiect concret. Aceasta înseamnă că unitatea de masă, până acum, nu poate fi transferată cu o precizie mai bună decât cea permisă de compararea în masă cu prototipul internațional al kilogramei.

Marea majoritate a țărilor semnatare ale Convenția de metrou menține, de asemenea, prototipurile de platină-iridiu de caracteristici similare la prototipul internațional Kilogram. Valoarea de masă a acestor prototipuri este urmărită, prin comparație într-un echilibru, prototipul internațional Kilogram și sunt referințele pentru magnitudinea de masă în fiecare țară.

DIV>

Fig. 1: Imagine a unuia dintre prototipurile Platinum-Iridium disponibile la centrul de metrologie spaniol. Marcată ca K24, este declarată ca un model național conform Ordinului ITC / 2432/2006, 20 iulie.

bipm-l A reținut în condiții egale prototipul internațional de kilogram și alte șase prototipuri (copii) care au aceleași caracteristici fizice. Masa prototipului internațional de kilogram a fost comparată cu fiecare dintre cele șase copii din patru ocazii, ca și în cazul prototipurilor naționale, în 1889, 1946, 1991 și 2014. Sa demonstrat că valoarea medie de masă a celor șase exemplare a crescut De-a lungul timpului de la masa prototipului internațional de kilogram, cu o drift aproximativă de 50 μg în 100 de ani, deși în ultima comparație, driftul menționat nu este observat (vezi figura 2). Această modificare a valorii masei este excelentă dacă este luată în considerare faptul că incertitudinea actuală atribuită prototipurilor menținute de țările semnatare a Convenției de Metro este a zecelea din această valoare.

Pe de altă parte, există un număr mare de limitări că înseamnă a avea definiția unei unități ca artefact fizic: este disponibilă numai într-un singur loc, poate fi deteriorată sau pur și simplu distrusă, Absoarbe moleculele din atmosferă și trebuie curățate cu atenție printr-o metodă prestabilită, nu pot fi utilizate în mod obișnuit prin pericol de uzură, materialul care constituie prototipul internațional este supus unor posibile schimbări în timp și drifturile sale nu sunt previzibile.

ig. 2: Variația masei copiilor 1, 7, 841, 32, 43, 47 în raport cu masa prototipului internațional Kilogram. Datele sunt.

Pentru toate acestea, trendul general este faptul că unitățile de bază sunt definite de experimente care le relatează cu constantele fizicii naturii și / sau proprietăți ale atomilor. Din cele de mai sus există deja două exemple clare: metroul și al doilea. Astfel, contorul este definit ca lungimea care rulează prin lumina în vid în 1/299 792 458 secunde, astfel încât contorul se referă la viteza luminii în vid, ceea ce este tocmai 299 792 458 m / s (prin acord internațional ). Al doilea pentru partea sa este definită ca durata de 9 192 631.770 perioade de radiație care corespunde tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133. La această definiție a fost adăugată în 1997 că atomii au trebuit să fie în repaus și o temperatură termodinamică de 0 K. Aceste definiții permit reproducerea unităților de lungă și timp oriunde în lume, efectuând experimentele corespunzătoare și evitarea dependenței de un obiect fizic, Sub rezerva riscurilor menționate mai sus.

Din cauza tuturor acestor limitări, a fost efectuat un efort internațional de mai bine de 30 de ani pentru a relaționa masa prototipului de kilogram internațional la o constantă fundamentală, cu o incertitudine suficient de mică Permite înlocuirea definiției actuale a kilogramei. Aceste lucrări au fost intensificate începând cu anul 2005 cu ocazia recomandărilor 1 (IC-2005) ale Comitetului Internațional pentru Pondere și Măsuri (CIPM), care a cerut comunității științifice să accelereze lucrările pentru a modifica definițiile și efectele primare ale kilogramei, Amperio, Kelvin și MOL, pe baza constantelor fundamentale. Ca o consecință a celor de mai sus, în rezoluția 1 a celui de-al 24-lea CGPM se stabilește că amp (A) trebuie definit în funcție de sarcina electronului (E), MOL (MOL) în conformitate cu constanta Avogadro (NA) , Kelvin (k) conform constantei Boltzmann (K) și kilogramei (kg) în funcție de constanta Planck (H).

Redefinirea unităților de bază în funcție de constantele fundamentale trebuie făcută Deci, aceste definiții noi nu afectează piramida de trasabilitate, care este că utilizatorii nu au o creștere a incertitudinii în calibrările lor. În cazul specific al kilogramei sunt îndeplinite următoarele condiții: că există cel puțin trei experimente independente care dau naștere la valorile kilogramei, de la constanta plank, constând unul pe altul pentru un nivel de încredere de 95%, cu incertitudini relative tipice nu mai mare de 5 x 10-8. În plus, cel puțin unul dintre experimentele de mai sus trebuie să aibă o incertitudine relativă tipică nu mai mare de 2 x 10-8.

Evoluții experimentale

Pentru toate cele menționate mai sus este clar că a Unitatea trebuie să fie invariabilă în timp, iar cea mai bună modalitate de a se asigura că aceasta este legată de invarianții naturii, cum ar fi constantele fizice fundamentale și proprietățile atomilor. În prezent, există în principiu două metode care raportează experimental masa cu constante fizice fundamentale, cu o incertitudine suficient de mică, astfel încât piramida de trasabilitate a unității să nu fie afectată. Aceste metode sunt metoda AVOGADRO și scara Kibble, denumită anterior echilibrul puterii.

Metoda Avogadro este, de asemenea, cunoscută sub numele de metoda XRCD (provenind din engleză „Ray-densitate-densitate”, densitate cristalină de către X-raze, cunoscute și ca difracție cu raze X). Conceptul acestei metode provine din ideea clasică că masa unei substanțe pure poate fi exprimată în funcție de numărul de entități elementare ale substanței menționate. Acest număr poate fi măsura Metoda XCRRD pentru cristal practic perfect cu constantă de rețea și volum vs.

Datorită avantajelor marilor progrese ale industriei semiconductoare, un monocristal mare de siliciu pot fi disponibile cu o puritate ridicată și fără dislocări.Se poate realiza, de asemenea, că sticla menționată conține practic un singur izotop, 28 de ani.

Pentru unul dintre acești monocristale, volumul macroscopic vs. de cristal este egal cu volumul fiecărui atom înmulțit cu numărul de atomi ai cristalului, acest număr fiind, în cazul cristalului de siliciu:

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

Deoarece unitatea de siliciu (cubic și marginea A) are 8 atomi (vezi figura 3).

Acest experiment relaționează masa cu o constantă fundamentală, constanta avogadro, care este definită ca numărul de entități elementare care există într-un mol al unei substanțe. Deoarece masa molară a 28 de ani, M (28Si), este cunoscută, este clar că masa unui cristal de siliciu poate fi determinată prin următoarea expresie:

al expresiei anterioare, cunoscută Mass M avogadro constantă și invers.

Fig 3: Unitatea de siliciu celulă. Fiecare unitate de celulă are 8 atomi: există 4 atomi de interior, 8 atomi în vârfuri (fiecare atom un vârf este împărțit de alte opt celule) și 6 atomi pe fețe (fiecare atom o parte este împărtășită de două celule).

Pentru a relaționa masa cu constanta Planck, se iau în considerare următoarea ecuație, în care apar alte constante fundamentale,

În cazul în care m (e) este masa molară a electronului, c este viteza luminii în vid, α este constanta structurii fine și R∞ este constanta Rydberg. Valoarea constantă NAH, conform CICATA 2014 și 2017 poate fi determinată cu o incertitudine relativă de 4,5 x 10-10, astfel încât determinarea constantei avogadro prin această metodă permite determinarea constantă a planCk fără creșterea incertitudinii. Au existat mai multe încercări de-a lungul istoriei pentru a determina constanta avogadro prin măsurători într-un cristal de siliciu. Pentru a contribui la realizarea kilogramei, aceasta evidențiază un proiect de cooperare internațională numit „International Avogadro Coordonare” (IAC). În acest proiect de cooperare, au participat instituții din întreaga lume: BIPM, IRMM (Uniunea Europeană), Inrim (Italia ), Nist (Statele Unite), NMJ (Japonia), NML (Australia), NPL (Regatul Unit) și PTB (Germania). Rezultatele acestui proiect sunt publicate în.

În acest proiect este destinat determină constanta avogadro dintr-o sferă de 1 kg de siliciu monocristal umplut izotopic (practic numai izotopul 28 dacă este prezent). Pentru determinarea constantei avogadro a fost necesară pentru a determina constanta rețelei de siliciu A, care este meritiv Prin difracție cu raze X, volumul sferei VS, prin interferometre special concepute pentru a măsura diametrul și rotunjimea sferei, masa molară M (28SI), care a fost efectuată prin spectrometrie Masse și masă M care au măsurat BIPM cu trasabilitate directă la prototipul internațional Kilogram. Pe de altă parte, ar trebui să se țină cont de faptul că, datorită interacțiunii chimice a siliciului cu aerul atmosferei, un strat de oxid a cărui grosime constituie o corecție semnificativă este creată pe suprafața sferei. Măsurarea grosimii stratului menționat a fost efectuată de Ellipsometry. Fiecare dintre aceste măsuri a fost realizată de mai multe instituții, cu condiția ca aceasta să fie posibilă, garantând astfel calitatea acestora. Odată cu realizarea acestor măsuri, constanta avogadro a fost determinată cu o incertitudine tipică relativă de 3 x 10-8.

În perioada 2011, sferele proiectului inițial au fost lustruite din nou (deoarece a fost detectată Suprafața sa a fost probabil contaminată de poloneză inițială) și măsurătorile tuturor parametrilor pentru o nouă determinare a constantă a Avogadro, au fost efectuate. În majoritatea cazurilor, au fost îmbunătățite instrumentele de măsurare și incertitudinile acestora. După această continuare a proiectului, a fost realizată o nouă determinare a constantei cu o incertitudine relativă tipică de 2 x 10-8. Aceasta este o mare realizare, deoarece această incertitudine satisface deja una dintre cerințele de redefinire a kilogramei. În acest scop, PTB, NIMJ și Enrim au continuat să colaboreze, iar PTB a fabricat noi sfere cu o îmbogățire mai bună.

În acest proces, inrim a detectat problemele în determinarea constantă a rețelei datorate la corecțiile pentru difracția fasciculului și efectul tensiunii suprafeței.După această descoperire, au fost făcute corecții corespunzătoare ale valorilor pentru constanță Avogadro în 2011 și 2015. În plus, stratul de oxid de suprafață a fost măsurat prin alte tehnici (spectroscopie fotoelectronică emisă de raze X și fluorescență cu raze X ), precum și posturile vacante și posibile impurități prin diverse tehnici topografice și spectroscopice. Ca urmare a acestei colaborări, au fost publicate două valori noi pentru constanta avogadro, un set cu o incertitudine relativă tipică de 1,2 x 10-8 și unul determinat numai din măsurătorile NMIJ cu o incertitudine relativă tipică de 2, 4 X 10-8.

Cealaltă metodă pentru a determina masa din constanta Planck este scara kibble. În această metodă, determinarea masei M se efectuează în două faze: faza grea și faza dinamică. Aceste faze pot fi luate unul după altul sau simultan I1 trece prin bobină. Geometria magnetului și bobina este concepută pentru a produce o forță pur verticală. Accelerarea gravitației G care acționează asupra masei și a curentului I1 care trece prin bobină sunt măsurate simultan astfel încât ecuația să fie îndeplinită

În faza dinamică, tensiunea U2 care este indusă în bornele aceleiași bobine este măsurată atunci când se deplasează vertical la viteza V în aceeași direcție ca densitatea de debit magnetic B. este tensiunea este dată de ecuație:

Ecuațiile (4) și (5) pot fi combinate pentru îndepărtarea produsului BL (determinarea experimentală dificilă cu unele acuratețea), eliminând ecuația

actualul I1 poate fi determinat utilizând Legea OHM prin măsurarea dropului de tensiune U1 la terminalele unui rezistor R. = \ frac {2e} {h} \) (7)

Fiind sarcina de electroni. De asemenea, rezistența R poate fi măsurată în funcție de efectul Hall Quantum, unde valoarea rezistenței cunoscută sub numele de von Klitzing RK este dată de următoarea expresie

Este atunci că cea de-a doua parte a ecuației (6) poate fi exprimată în formularul

Unde F este frecvența cuptorului cu microunde cu care eșantionul Josephshsh și B este iradiat este un produs addimensional de parametri care permit urmărirea părții electrice a experimentului către Josephshspshs și Hallum Hall.

Ca rezultat, masa trebuie să depindă numai pe constanta Planck conform următoarei expresii

Div> \ (\ normalsize {m = h \ loft (\ frac {\ mare b {f} ^ {2}} {\ mare 4} \ dreapta) {{\ mare 1} {{{mare 1} {{{mare 1} {{l Arge GV} \) (10)

Magniturile gyv pot fi măsurate, respectiv, prin intermediul unui gravimetru și interferometru adecvat.

DIV>

Fig. 4: Schema fazelor soldului Kibble. Partea din stânga corespunde fazei grele în care forța gravitațională este echilibrată cu forța electromagnetică generată pe bobina într-un câmp cu densitatea de curgere magnetică B. Partea din dreapta corespunde fazei dinamice în care bobina se mișcă cu viteza U în același domeniu.

Primul experiment de acest tip care a fost efectuat cu intenția de a da trasabilitatea kilogramei a avut loc în 1976 la NPL (Regatul Unit). De atunci au avut loc multe experimente. NIST (Statele Unite) și-a efectuat primul dispozitiv experimental în 1980 și a publicat primele rezultate în 1998. Ultimele rezultate sunt de la al patrulea dispozitiv experimental cu care au obținut o incertitudine tipică relativă pentru constanta plankului de 1,3 x 10-8. NPL și-a transferat dispozitivul experimental la NRC (Canada), care a obținut rezultate pentru constanta planck cu o incertitudine relativă tipică de 9,1 x 10-9, care este cea mai mică incertitudine până în prezent. LNO (Franța) a fost un alt institut pentru a determina constanta Planck cu o incertitudine tipică relativă mai mică de 10-7, în special 5.7 x 10-8.

Alte institute lucrează, de asemenea, la determinarea h , p. de exempluObiective (Elveția), care au început să se asigure primul său dispozitiv experimental în 1997 și își instalează deja al doilea dispozitiv și BIPM. Nim (China) a început să lucreze la o variantă cunoscută sub numele de echilibrul jourii cu care, cu al doilea dispozitiv experimental, au obținut o incertitudine tipică relativă de 2,4 x 10-7. Alte institute, cum ar fi MSL (Noua Zeelandă), Kriss (Coreea) și UME (Turcia) au, de asemenea, publicații cu privire la dispozitivele experimentale respective. Există, de asemenea, alte institute care și-au declarat intenția de a-și dezvolta propriile dispozitive experimentale, cum ar fi NMJ (Japonia) și NPLI (India). NPL a reluat, de asemenea, echilibrul proiectului Kibble și face un nou dispozitiv cu ideea de a dezvolta o versiune comercială.

Determinarea constantă a planului

în 2017, Comisia pentru date, a Consiliului Internațional pentru Știință (Codata) a stabilit valoarea constantei Planck pe baza rezultatelor experimentale care au fost obținute până în prezent cu o incertitudine relativă tipică mai mică de 10-7. Anterior, în 2016, la coerența rezultatelor, a fost efectuat un studiu pilot, care a comparat diferitele experimente cu prototipul internațional Kilogram. Acest studiu a obținut rezultate foarte bune, deși în același lucru institutele nu au oferit aceleași incertitudini pe care le-au publicat mai târziu pentru determinarea constantă a planCk. Situația găsită în 2017 de către Ciodata pentru a determina constanta Planck a fost diferită, deoarece au existat discrepanțe clare (vezi figura 5).

div>

Fig. 5: Valorile Constanței Planck a diferitelor determinări experimentale cu incertitudini mai mici de 10-7, valoarea Ciudata 2014 și valoarea codatei 2017, în ordine cronologică de sus în jos. Valoarea NIST 98 nu a fost luată în considerare pentru determinarea valorii EFFATA 2017. Banda interioară verde este de ± 2 × 10-8 și banda exterioară gri ± 5 × 10-8. KB: echilibrul de kibble; XRCD: metoda „Densitatea cristalului cu raze X” Obținerea primară a unei valori de H egal cu 6,626 070 150 (69) × 10-34 JS; adică cu o incertitudine tipică relativă de 1 x 10-8. Rezultatele CICATA 2017 sunt colectate în.

Redefiniția kilogramului și materializarea acestuia

La 20 mai 2019 este data aleasă pentru intrarea în vigoare a sistemului internațional revizuit. De la această dată kilogramul va fi definit ca „Masa Prototipului Internațional Kilogram „Pentru a fi definit prin stabilirea constantă a plank-urilor cu valoarea numerică stabilită de codata. Definiția kilogramului va fi „kilogram, simbolul kg, este unitatea dacă este de masă. Este definită la fixarea valorii numerice a constantei plank, H, la 6,626 070 15 × 10-34, atunci când este exprimată în unitatea J · S, egal cu kg M2S-1, în care contorul și al doilea sunt definite în funcție de CY \ (\ Delta {{{\ upsilon} cs \) „.

Acest lucru are o consecință importantă, deoarece, Începând cu acest moment, incertitudinea prototipului internațional Kilogram devine zero pentru a avea o valoare care va fi, logică, valoarea incertitudinii cu care a fost determinată constanta Planck; adică 10 μg. În plus, ca definiție Kilogramul se oprește în funcție de prototipul internațional, se consideră că masa sa poate varia în timp, astfel încât incertitudinea asociată să crească. Această situație va face ca unele institute naționale de metrologie să-și modifice capacitățile de măsurare. Și calibrarea, în consecință, deși acest lucru ar trebui să fie nu afectează nivelul de utilizator i Noustrial; Aceasta este, la calibrarea greutăților de clasă E1 în conformitate cu recomandarea internațională OIML R 111, care sunt cel mai înalt nivel de precizie.

Această schimbare nu ar avea nici o relevanță dacă au existat suficiente și consecvente pentru realizare din kilogram, dar acest lucru nu este cazul menționat în secțiunea anterioară. Prin urmare, este necesar să se determine o valoare consensuală între diferitele experimente pentru materializarea kilogramei, deoarece dacă nu incertitudinea acestuia ar crește pe o perioadă nedeterminată, în afară de lipsa unei referințe. Modul de a determina această valoare consens va fi prin comparații-cheie pilotate de BIPM. În plus, BIPM va fi responsabil de garantarea stabilității unității în această perioadă, precum și diseminarea acestuia către Institutele Naționale de Metrologie, deși este posibil ca institutele naționale de metrologie cu performanțele primare ale kilogramei să difuzeze unitatea poate fi, de asemenea, permisă cu ajutorul corecțiilor determinate de valoarea consensului.

Pentru aceste sarcini, BIPM va avea 12 prototipuri de platină-iridiu de 1 kg a cărui stabilitate va fi garantată prin intermediul unui set de artefacte de valoare nominală de 1 kg, de diferite materiale, menținute în diferite condiții de mediu, În formă că media ponderată a valorii mase a acestor artefacte (valoarea sa de referință) este mai stabilă în timp (sau, cel puțin, variația sa este mai previzibilă). Acest set de artefacte este format din patru cilindri de platină-iridiu, patru cilindri din oțel inoxidabil și patru sfere de siliciu, precum și alte artefacte ale acestor materiale pentru studii de desorbție de adsorbție. Fiecare dintre aceste patru elemente de material diferit este menținut în atmosferă diferită controlată: aer, vid, azot și argon. Comportamentul acestui set de artefacte este în curs de studiu.

iv id = „68b7768b32”

Fig. 6: Imaginea laboratorului în care setările artefactului sunt menținute. În stânga puteți vedea containerele pentru azot și argon. În dreapta sunt containerele pentru vid. În prim plan există echipamente de analiză a gazelor. Curtoazie a BIMP

Este de așteptat ca în viitor să existe un număr suficient de exemple de realizare primare kilogram care sunt în concordanță între ele astfel încât determinarea valorii consensului nu este necesară și poate difuza singure unitatea, garantând compatibilitatea acestuia prin comparații-cheie, așa cum este cazul celorlalte unități de bază.

Concluzii

Acest articol încearcă să descrie problema definiției actuale a kilogramei, precum și experimentele care au fost efectuate pentru a-și face redefinirea. De asemenea, descrie situația care va fi generată atunci când se face redefinirea, având în vedere că exemplele primare primare și consecvente nu sunt încă disponibile, astfel încât fiecare dintre ele să fie capabil să materializeze kilogramul cu garanții și acțiunile care au fost decise la un nivel internațional nivel pentru a minimiza impactul.

În prezent, este clar că rolul BIPM va rămâne fundamental pentru realizarea unității de masă. De asemenea, este probabil ca acesta să rămână în viitor, deoarece a fost evident prin explicațiile secțiunilor anterioare, experimentele pentru realizarea primară a kilogramei cu incertitudinea căutată sunt complexe, laborioase și economice foarte scumpe. Este foarte probabil ca variantele de realizare experimentale să nu poată fi efectuate cu frecvența dorită și vor fi necesare pentru a menține și disemina unitatea, ca organism independent.