Новые определения базовых единиц СИ

16 ноября 2018 года во Дворце Конгресса в Версале состоялось заседание XXVI Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ). На голосование была поставлена резолюция, закрепляющая новые определения четырех из семи базовых единиц Международной системы единиц СИ –  килограмма, ампера, кельвина и моля. Теперь система СИ будет обновлена, и из нее исчезнет последний материальный эталон – эталон килограмма.
Похожее изображение

Теперь утверждено новое определение килограмма, основанное на постоянной Планка.
Новое определение ампера будет связано с численным значением электрического заряда.
Новое определение кельвина основано на постоянной Больцмана.
Моль будет определен через зафиксированную постоянную Авогадро.
Теперь все единицы будут привязаны к константам, не подверженным износу.

Отказ от материальных эталонов позволяет разным государствам создавать свои первичные эталоны независимо от других государств. А от точных измерений времени, расстояний и масс сегодня зависит множество вещей – от спутниковой навигации, работы мобильных телефонов до правильной работы магазинных весов.

Проект реформы был одобрен сегодня, но вступит в силу во Всемирный день метрологии – 20 мая 2019 года.

Пояснения

В международной системе единиц измерения СИ (от французского Le Systeme International d’Unites, SI) приняты семь основных величин: длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Единицы измерения для них – основные единицы СИ – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела, соответственно.
Для точного измерения базовых величин ученые создают эталоны, так как измерение и есть сравнение чего-либо с эталоном.

Единица измерения длины – метр – первоначально была привязана к длине парижского меридиана, потом – к длине волны излучения атома криптона-86. Сейчас метр определяется c помощью постоянной Планка: это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

Единица измерения временисекунда – с 1967 года определяется как интервал времени, соответствующий 9 192 631 770 периодов излучения между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единица измерения силы света  кандела  –  с 1979 года определяется как сила света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540 × 1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 ватта на стерадиан (здесь 683 — значение максимальной световой эффективности, установленное ГКМВ).
Точное значение коэффициента максимальной световой эффективности, используемое вместе с функцией, дает отношение силы света к энергетической силе света для монохроматического излучения любой длины волны.

Почти все единицы тоже постепенно оказались привязаны к фундаментальным физическим константам (ФФК).

7 апреля 1795 году бюро мер и весов приняло за единицу грамма «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу [со стороной] в сотую часть метра, и при температуре тающего льда». Для материализации этой массы сначала создали эталон из платины.
Согласно парижскому соглашению 1875 года за единицу измерения массы – килограмм – был принят оригинальный цилиндр диаметром и высотой  39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия), который хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре около Парижа). Сплав платины и иридия химически инертен, имеет высокую твердость и износоустойчивость, относительно малый коэффициент теплового расширения, большую плотность и наделен парамагнитными свойствами.
Однако в конце прошлого века ученые обнаружили, что масса эталона килограмма менялся примерно на 0,3 микрограмма в год, то есть на 30 микрограмм за более чем 100 лет. Это происходит из-за испарения атомов с поверхности цилиндра. Это достаточно большие значения для современных требований к точности. Килограмм является одной из семи основных единиц СИ, и накопленные отклонения могут стать причиной так называемого технического системного кризиса. Именно поэтому научное сообщество решило переопределить килограмм через точно измеренную и фиксированную постоянную Планка.

Установка, с помощью которой можно реализовать новый эталон массы, называется весы Киббла.
Весы Киббла использовались с середины 1970-х годов для измерения величины постоянной Планка. Сотрудники Национального института стандартов США Питер Мор и Барри Тэйлор в 1999 году предложили зафиксировать величину постоянной Планка и определять массу с помощью весов Киббла. Посмертно названное в честь изобретателя Браяна Питера Киббла, это усовершенствованные токовые весы, в которых эталоном выступает груз, который уравновешивает силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускают ток. Таким образом, массу объекта можно найти за счет равенства электрической и механической сил.

Единица измерения силы тока – ампер – утвержденное в 1948 году, было основано на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током. Теперь новое определения ампера основано на численном значении электрического заряда.

Единица измерения температуры — кельвин — до сегодняшнего дня определялась как 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды (это строго определенные значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях). Это определение создавало свои неудобства, поскольку в воде всегда есть примеси тяжелых изотопов водорода и кислорода, и они могут значительно сдвигать тройную точку. Поэтому метрологам пришлось создать отдельный стандарт – Венский стандарт усредненной океанской воды. Ее рецепт выглядит так: 0,00015576 моля дейтерия на моль обычного водорода. Кроме того, для того, чтобы определять точные значения в других диапазонах, ученым приходилось контролировать точки плавления и кипения нескольких других веществ. Новое определение кельвина основано на постоянной Больцмана.

Единица измерения количества вещества – моль – была привязана к количеству атомов в 0,012 килограмма стабильного углерода-12, то есть был связан с массой. Новое определение моль будет определен через зафиксированную постоянную Авогадро.

 

Добавить комментарий