Из сплава каких металлов изготовлен эталон килограмма хранящийся в международном бюро мер и весов
Обновлено: 19.09.2024
Согласно данным профессора Питера Кампсона и доктора Наоко Сано из университета Ньюкасла, опубликованным в журнале Metrology (Метрология), эталон килограмма прибавляет в среднем около 50 микрограмм за сто лет, что в итоге может существенно отразиться на очень многих физических величинах.
Самый главный килограмм представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм, состоящий из сплава платины и иридия (90% платины и 10% иридия). Он был отлит в 1889 году и хранится в сейфе в Международном бюро мер и весов в городе Севр вблизи Парижа. Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра)чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
С эталона килограмма первоначально было сделано 40 точных копий, которые разошлись по всему миру. Две из них находятся в России, в ВНИИ метрологии им. Менделеева. Позднее была отлита еще одна серия реплик. Платина в качестве основного материала для эталона была выбрана потому, что отличается высокой устойчивостью к окислению, высокой плотностью и низкой магнитной восприимчивостью. Эталон и его реплики используются для стандартизации массы в самых разных отраслях. В том числе и там, где микрограммы имеют существенное значение.
Килограмм – единственная единица СИ, которая до сих пор определяется с помощью эталона . Все остальные меры (метр, секунда, градус, ампер и т. д.) могут быть определены с необходимой точностью в физической лаборатории. Килограмм входит в определение других величин, например, единица измерения силы – ньютон, которая определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. От величины ньютона зависят другие физические величины, так что в итоге цепочка может привести к изменению значения многих физических единиц.
Физики считают, что колебания массы эталона стали результатом атмосферных загрязнений и изменения химического состава в поверхности цилиндров. Несмотря на то, что эталон и его реплики хранятся в специальных условиях (см. фото), это не спасает металл от взаимодействия с окружающей средой. Точный вес килограмма установили с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Оказалось, что килограмм «поправился» на почти что 100 мкг.
Вместе с тем, копии эталона с самого начала отличались от оригинала и их вес изменяется также по-разному. Так, главный американский килограмм изначально весил на 39 микрограмм меньше эталона, а проверка в 1948 году показала, что он увеличился на 20 мкг. Другая американская копия напротив, теряет в весе. В 1889 году килограмм под номером 4 (К4) был на 75 мкг меньше эталона, а в 1989 уже на 106.
Согласно правилам, эталоны нежелательно подвергать механическому трению, а с учетом того, что разные реплики изначально несколько отличались по массе, оценить влияние очистки довольно сложно. Чтобы максимально стандартизировать процедуру, физики разработали щадящий способ очистки поверхности с использованием УФ-облучения. Пока что опыты проводились только на платиновой и золотой фольге, загрязненной машинным маслом. Для удаления грязи поверхность промывается метиловым спиртом, затем чистой водой, а затем наступает черед газовой очистки с использованием озона и ультрафиолетового облучения. Похожие технологии используются для очистки поверхностей полупроводников.
Оказалось, что такая очистка не повреждает платиновую и золотую поверхности. Было отмечено незначительное образование оксидов на поверхности, но на весе образцов это не сказалось, так как соединения постепенно распадались на металл и газообразный кислород.
Другое решение проблемы лишнего веса для эталонного килограмма предложили участники 24-й Генеральной конференции по мерам и весам, которая состоялась в 2011 году. Идея состоит в том, чтобы определить его вес по отношению к массе атома кремния или через постоянную Планка. В частности, предполагается, что СИ станет системой единиц, в которой значение постоянной Планка h будет зафиксировано и равно 6,626 06X•10 -34 Дж•c (здесь Х – заменяет одну или более значащих цифр, которые еще предстоит определить). Результатом этого должна явиться отмена ныне действующего определения килограмма и принятие нового.
Если кремний выдержит серию испытаний, которые подтвердят, что он пригоден для использования в качестве эталона, то уже в 2014 году может появиться новый идеальный килограмм.
Последним сдался килограмм
16 ноября 2018 года в Париже завершилась длившаяся несколько десятилетий революция в метрологии. Последняя из основных единиц системы СИ - килограмм - лишилась своего материального воплощения. Теперь килограмм будет определяться не платиново-иридиевой «гирькой», а сверхточным значением фундаментальной постоянной Планка и сложным измерительным устройством, известным как весы Киббла. О хронике революции и о том, как теперь взвесить килограмм, наш рассказ.
Французская гравюра, около 1800 года, иллюстрирующая метрическую систему мер: 1 - литр; 2 - грамм; 3 - метр; 4 - ар (100 м 2 ); 6 - стер (эквивалент 1 м 3 , определялся по объёму определённым образом сложенных деревянных брусков). Любопытно, что на пятом месте затесалась денежная единица - франк, так как параллельно была сделана попытка реформы запутанной денежной системы введением в ней десятичного деления. Иллюстрация: L. F. Labrousse/PD.
Весы Киббла из Национального института стандартов и технологий США. Всё устройство имеет высоту около 2,5 метра и во время измерений закрыто металлическим корпусом, внутри которого поддерживается вакуум. Фото: J. L. Lee/NIST.
Основные элементы весов Киббла. 1. Поддон со взвешиваемым грузом. 2. Катушка, по которой протекает ток. 3. Постоянный магнит. 4. Конец троса, ведущий к двигателю, который может перемещать поддон и катушку по вертикали. Красными стрелками показаны уравновешенные силы тяжести и магнитного отталкивания. Рисунок: Suplee/NIST.
На пути к системе единиц
Человек занимался измерениями с древних времён. Это было нужно для строительства, изготовления изделий, торговли и планирования деятельности. Каждое государство изобретало свои меры. Ещё полтора века назад в нашей стране размеры мерили вершками, пядями и аршинами, массу - фунтами и пудами, а в качестве мер объёма жидкости можно было встретить чарки и вёдра. В Великобритании до сих пор в ходу дюймы, футы, фунты и пинты.
Потребность в единой системе мер существовала всегда, но со стремительным развитием науки и техники в Новое время она стала просто жизненно необходимой. Интенсивный обмен знаниями и технологиями требовал всё более точных измерений. На революцию в метрологии учёных, видимо, подвиг дух Великой французской революции. В 1795 году во Франции государство официально приняло так называемую метрическую систему мер, базирующуюся на мерах длины и массы.
Для универсальности все введённые меры были привязаны к природным объектам, казавшимся тогда одинаковыми повсюду. Единица длины - метр приравнивался к одной сорокамиллионной доле длины парижского меридиана. Единицу массы - грамм - определили как массу кубического сантиметра воды при 4°С, когда вода имеет наибольшую плотность, а секундой назвали 1/86 400 суток (24 часа по 60 минут из 60 секунд как раз дают 86 400 секунд).
Но наша планета - не шар, к тому же вращается она неравномерно. А вода содержит различные примеси, влияющие на результаты измерений. Поэтому во второй половине XIX века было решено задать меры длины и массы посредством эталонов. В 1875 году в Париже семнадцать стран, включая Россию, подписали Метрическую конвенцию, согласно которой создавались эталоны массы и длины. Их оригиналы должны были храниться в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в пригороде Парижа - Севре. А метрологические организации участников конвенции получали точные копии эталонов.
Так родилась современная система мер, которая на сегодняшний день распространена на большей части земного шара. Для её совершенствования с тех пор раз в четыре года в Севре собираются Генеральные конференции по мерам и весам. Любопытно, что в России закон о необязательном использовании метрической системы, проект которого подготовил Д. И. Менделеев, появился лишь в 1899 году, а обязательной она стала лишь после революции, в 1918 году.
Надо сказать, что самый первый эталон длины и массы был изготовлен из платины ещё в 1799 году. Последние варианты сделаны в 1889 году из сплава платины (90%) и иридия (10%). Выбор материала обусловлен химической устойчивостью сплава. Эталон массы выполнен в форме цилиндра с равными высотой и диаметром (чуть более 39 мм). Этим достигалась наименьшая площадь его поверхности и, соответственно, износ. Находится эталон под вакуумным колпаком в комнате, доступ в которую имеют только три человека. Причём, чтобы попасть в неё, они должны одновременно вставить все три имеющихся у них ключа. Первый ключ находится у директора Международного бюро мер и весов, второй - у председателя Международного комитета мер и весов, а третий хранится в Архиве Франции. Эталон длины до 1960 года имел вид Х-образной линейки.
Стремительное развитие новых научных направлений в XIX - начале XX века привело к введению в оборот большого числа новых единиц измерений и нескольких их систем, таких как СГС (1861), МКСА (1901) и других. К середине ХХ века возникла необходимость стандартизировать и упростить сложившуюся сложную совокупность систем и внесистемных единиц в соответствии с современными требованиями. И в 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц СИ (SI, от французского Le Systéme International d’Unités). В неё вошли шесть величин, считающихся основными: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Седьмая единица - количество вещества - моль добавлена в 1971 году. Все остальные физические величины стали производными, то есть определяемыми через основные единицы по соответствующим физическим законам.
Возросшие требования к точности измерений уже тогда привели к тому, что метр первым потерял своё «предметное» воплощение. Он стал равным 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона-86. Это излучение создавалось специальной лампой.
Квантовые законы излучения атомов сделали его идеальным инструментом для определения эталонов. Во-первых, уровни энергии, между которыми переходит электрон при излучении, строго фиксированы. А частота и длина волны излучения определяются разностью этих энергий. Во-вторых, все атомы любого химического элемента неразличимы. Это один из основных законов квантовой механики. Криптон везде одинаков.
Так что неудивительно, что в 1967 году судьба метра постигла и секунду. Она была определена как «время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Позднее это определение лишь дополнилось условиями, при которых исключалось влияние на измерение гравитационного и электромагнитного полей. Измерения следовало проводить на уровне моря, а атомы охлаждать до 0К.
Атомные часы полностью разорвали связь секунды с вращением Земли. Впрочем, справедливости ради, уже определение секунды 1960 года как «1/31 556 925,9747 доля тропического года для 0 января 1900 в 12 часов эфемеридного времени» сохраняло эту связь только внешне. Дело в том, что использованная длительность года была не измеренной, а рассчитанной.
Новая система СИ
Но прошло не так уж много времени, и новая система тоже перестала удовлетворять учёных. Необходимость повышения точности и универсальности единиц измерения привела к идее связать большинство из них с фундаментальными константами, точность определения которых фантастически возросла. Кроме того, фундаментальные константы идеально подходили для создания эталонов: неизменны, общедоступны и не требуют специальных условий хранения. Это позволило бы во всех странах использовать идентичные высокоточные значения мер. Если для обычных инженерных задач столь огромная точность не нужна, то в фундаментальных исследованиях она подчас имеет большое значение. Возможно, какое-нибудь крошечное расхождение между теорией и экспериментом в физике элементарных частиц позволит обнаружить так называемую Новую физику, поиск которой сейчас активно ведётся на ускорителях. К тому же к концу ХХ века исследования и технологии уверенно преодолели нанорубеж.
Чтобы понять, чем же не устраивала физиков старая система СИ, рассмотрим, например, единицу термодинамической температуры - кельвин. Она была определена как 1/273,16 температуры тройной точки воды. Тройной точкой называют значения давления и температуры, при которых одновременно находятся в равновесии три фазовых состояния воды: твёрдое, жидкое и газообразное. Однако в воде всегда присутствуют примеси тяжёлых изотопов водорода и кислорода, которые могут значительно сдвигать тройную точку. Использование воды с неправильным изотопным составом может вызвать ошибки в несколько сотен микрокельвинов при измерении тройной точки. Поэтому метрологам пришлось дополнительно разработать отдельный стандарт на используемую для измерений воду - Венский стандарт усреднённой океанской воды (VSMOW). В ней должно быть 0,000155 моля дейтерия на моль обычного водорода, 0,002005 моля кислорода-18 на моль обычного кислорода-16 и т. д. А дальше встаёт задача получения стандартной воды…
Не лучше дела обстояли и с килограммом, который оставался последней мерой, эталоном которой служило физическое тело или, как говорят сами метрологи, артефакт. В конце XX века проверки национальных копий эталона килограмма показали, что за 100 лет их массы изменились относительно главного эталона в диапазоне ±50 микрограммов. Логично предположить, что изменилась масса и главного эталона. Это существенно, учитывая, какая точность в измерениях нужна в настоящее время. Изменяется масса из-за явлений диффузии и испарения вещества эталона, а также его загрязнения в те моменты, когда он извлекался из-под вакуумного колпака.
Проще всего оказалось переопределить метр, который в 1983 году был выражен через скорость света в вакууме. В соответствии с теорией относительности эта скорость всегда одна и та же и равна 299 792 458 м/с. Соответственно, эталон метра стал равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды. А вот с другими единицами пришлось повозиться дольше. Долгое время точность их определения не удовлетворяла метрологов.
В 2005 году метрологи приняли решение использовать постоянную Больцмана для определения единицы термодинамической температуры (кельвин), элементарный электрический заряд для единицы силы тока (ампер), постоянную (число) Авогадро для единицы количества вещества (моль) и постоянную Планка для единицы массы (кг). После этого потребовалось ещё десяток лет для того, чтобы с высочайшей точностью измерить все константы. Так, неопределённость измерения постоянной Планка не должна была превышать 50x10 -9 .
И вот наконец работа успешно завершена. 16 ноября 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам, прошедшая в Версале, утвердила новые эталоны. Изменения вступят в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.
В новой версии системы СИ один кельвин - это такое изменение температуры (Т), которое приводит к изменению энергии (Е), приходящейся на одну степень свободы E = kT, где k - постоянная Больцмана. Значение постоянной Больцмана принято равным 1,380649•10 –23 .
Единица силы тока - ампер - определена теперь не через силу взаимодействия токов, а через значение элементарного заряда (е, заряд электрона), которое принято равным 1,602176634x10 -19 Кл. Заряд (q), прошедший через проводник при протекании в нём тока силой I в течение времени t, можно найти по формуле q = It.
Единица количества вещества - моль - ранее соответствовала количеству атомов, которое содержится в 0,012 килограмма изотопа углерода-12, что означало её связь с массой. Теперь же моль соответствует зафиксированному числу атомов 6,02214076•10 23 (постоянная Авогадро).
Как ни странно, но самые большие трудности возникли на пути создания, казалось бы, на первый взгляд самого простого эталона - килограмма. С ним физики провозились дольше всего. Но и эту проблему удалось решить. В новой версии системы СИ килограмм должен оказаться таким, чтобы постоянная Планка составила ровно 6,62607015•10 –34 Дж•с. Измерения эталона производятся с помощью специальных весов, где вес тела уравновешивается электромагнитной силой, которая рассчитывается на основе постоянной Планка.
Благодаря такому подходу каждая страна теперь может в любое время воспроизвести эталонную установку самостоятельно и создать свой эталон, не прибегая к сверке с главным эталоном. Это позволит избежать и проблем, связанных с изменением эталона, а также возможности его утери, уничтожения или повреждения.
Весы Киббла
Установка, с помощью которой можно создать новый эталон массы, называется весы или баланс Киббла в честь Брайана Киббла, сотрудника Национальной физической лаборатории Великобритании, разработавшего их конструкцию ещё в 1975 году. Это похожее на весы устройство определяет, какой ток нужен для того, чтобы создать электромагнитное поле, способное уравновесить чашу с тестируемым грузом. Ранее этот прибор называли ватт-балансом, поскольку измеряемая масса пропорциональна произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. По сути, это усовершенствованный прибор для измерения тока, ампер-баланс, изобретённый ещё в XIX веке Уильямом Томсоном (лордом Кельвином).
Весы Киббла устроены следующим образом: поддон для взвешиваемого груза жёстко скреплён с катушкой, которая находится в магнитном поле постоянного магнита. Эта система способна перемещаться по вертикали. После установки на поддон груза (m), который необходимо взвесить, по катушке пропускают ток (I), добиваясь, чтобы сила отталкивания (сила Ампера), действующая между катушкой и постоянным магнитом, уравновесила силу тяжести. Значение силы тока фиксируется.
В весах Киббла четвёртого поколения, работающих в настоящее время в Национальном институте стандартов и технологий (NIST, США), катушка с проволокой имеет массу 4 кг и диаметр 43 см. Для неё требуется около 1,4 км проволоки. Система постоянных магнитов из сплава самария и кобальта имеет массу 1000 кг и создаёт магнитное поле B = 0,55 тесла, что примерно в 10 000 раз больше магнитного поля Земли. Катушка и магниты расположены внутри железного корпуса и полностью экранированы от внешних магнитных полей.
Упрощённо условие равновесия имеет вид mg = IBL, где L - длина провода в катушке. Казалось бы, задача решена и можно найти массу. Однако на практике величину BL чрезвычайно трудно измерить с необходимой точностью из-за неоднородности поля магнита и многослойности намотки катушки. Собственно, Брайан Киббл и придумал, как обойти эту сложность.
Ещё в XIX веке Майкл Фарадей обнаружил, что в проводнике индуцируется напряжение (U), когда он движется в магнитном поле, причём это напряжение пропорционально напряжённости поля (B) и скорости проводника(v): U = vBL. Это явление и позволяет найти BL = U/v. Тогда получаем
Осталось измерить U и v. Для этого Киббл разместил на установке большое колесо, по одну сторону которого располагаются поддон и катушка, а по другую - двигатель, который может поднимать катушку с постоянной скоростью с помощью троса.
На втором этапе взвешивания, получившем название калибровки, груз с поддона убирается, катушка перемещается через окружающее поле с тщательно контролируемой постоянной скоростью, а индуцированное напряжение измеряется. После чего определяется масса.
А где же здесь постоянная Планка (h)? Она «сидит» в формулах, определяющих значение тока и напряжения. Дело в том, что их привычное измерение с помощью амперметра и вольтметра не способно обеспечить необходимую точность. Поэтому измерения тока проводятся с помощью явления, называемого квантовым эффектом Холла. Там квантование сопротивления, связанного с током, определяется постоянной фон Клитцинга Rk = h/e 2 . А напряжение измеряется с использованием эффекта Джозефсона, заключающегося в протекании сверхпроводящего тока через два сверхпроводника и разделяющий их тонкий слой диэлектрика. Напряжение здесь связано с частотой в сверхпроводящей цепи и константой Джозефсона 2e/h. Эффект Джозефсона в настоящее время - де-факто мировой стандарт для точного определения напряжения.
Определение постоянной Планка
Любопытно, что до этого весы Киббла использовались для нахождения с высокой точностью постоянной Планка. Совершенно очевидно, что если в качестве груза разместить на весах эталон массы, то по тем же формулам можно рассчитать постоянную Планка h.
Но это не единственный метод. Другой способ нахождения с высокой точностью постоянной Планка разработан в Национальном метрологическом институте Германии. Там из изотопа кремния 28 Si, добытого в России, вырастили монокристаллы, а из них в Австралии создали практически идеально гладкие сферы - эталоны килограмма. При диаметре около 93,75 миллиметра шероховатость их поверхности не превышает 0,3 нанометра. Если эту сферу увеличить до размера Земли, то неровность поверхности не превысит 20 мм. Выбор пал на кремний из-за наличия развитой полупроводниковой промышленности, способной выращивать большие монокристаллы. Масса примесей в такой сфере не превышает десятимиллионную долю грамма. Очень точно измерив параметры кристаллической решётки кремния и полагая сферу идеально сферичной, физики могут рассчитать количество атомов в ней. Исходя из этого можно вычислить число Авогадро и постоянную Планка.
Было даже сделано предложение заменить платиново-иридиевый эталон на кремниевую сферу. Но это предложение не было принято.
ЭТАЛОНЫ
В Древнем Египте, провожая в загробное царство умершего фараона, среди прочих ценных предметов в гробницу помещали копию меры длины — “священного локтя”. Сам же эталон покоился в храме и тщательно оберегался жрецами. Сегодня создают эталоны и средства передачи их показаний измерительным приборам, открывают новые и более совершенные методы точных измерений ученые-метрологи. Сами же эталоны представляют собой сложные аппаратурные комплексы, занимающие большую площадь. В трех научных метрологических центрах России хранится 116 государственных эталонов основных и производных единиц измерений. Это достояние чрезвычайно ценное, ведь ошибки измерения в любой области человеческой деятельности чреваты многими бедами: в науке может не состояться открытие, а в промышленности отклонение от стандарта влечет большие экономические потери. Обо всех эталонах рассказать в журнальной статье невозможно. Поэтому заслуженного метролога России Льва Николаевича Брянского мы попросили описать лишь основные эталоны — времени, массы и длины.
Эталон единицы давления. Его основа — грузопоршневой манометр. Зная площадь поршня и приложенную к нему силу (на фото — это диски и гирьки-довески), можно вычислить давление.
Зал эталона звукового давления не имеет ни одного прямого угла, чтобы минимальное отражение звука не возвращалось в ту же точку.
Уздечка на времени
Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.
Эталон времени — особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время — очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.
Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5 . 10 -14 , то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду. (О различиях атомного и астрономического времени см. “Наука и жизнь” № 11, 1976 г.).
От линейки — к лазеру
Первое определение метра — одна десятимиллионная доля четверти земного меридиана, проходящего через Париж. К 1799 году французами были выполнены необходимые измерения и изготовлен эталон — платиновая линейка. Ее и поныне называют “архивный метр”. Старшее поколение, очевидно, помнит по школьному учебнику физики рисунок линейки Х-образного сечения длиной 102 см, на которой нанесены две группы штрихов. Расстояние между средними штрихами этих групп равнялось 1 метру.
Старые эталоны (платиново-иридиевая линейка и пришедшие ей на смену кадмиевые и криптоновые лампы) не позволяли определить значение метра с погрешностью меньшей 10 -7 . А этого было уже недостаточно. Развитие техники, и прежде всего электроники, требовало создания деталей с более высокой точностью. Чтобы сделать новый эталон, нужно было придумать метру новое определение, причем привязанное к заведомо постоянным величинам, так называемым фундаментальным физическим константам. Было заманчиво определить метр через время и скорость. До этого додумались еще мудрецы Халдеи: во время специального обряда на горизонтальной площадке жрец ловил взглядом первую точку появления Солнца на горизонте и размеренным шагом устремлялся ему навстречу; как только над горизонтом всходил весь диск, жрец останавливался, место отмечалось — таким образом определялась мера длины “стадий” — около 185 метров.
Со временем все было в порядке — погрешность его эталона в сотни тысяч раз меньшая, чем у метра. Но возникли проблемы со скоростью. Годилась лишь одна фундаментальная константа — скорость света в вакууме, но погрешность определения ее значения не могла быть меньше, чем у эталона метра (ведь скорость — это те же метры в секунду). Образовался заколдованный круг. И разорвали его, приняв неординарное решение: считать наиболее достоверное из измеренных значений скорости света истинным, то есть не имеющим погрешностей. Так появилось новое определение метра — он равен пути, проходимому светом в вакууме за 1/2999792458 доли секунды, а метр попал в “вассальную зависимость” от времени.
Хранится российский эталон длины во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева в Петербурге. Основные части его — источник оптического излучения с известной длиной волны (лазер) и интерферометр — прибор, с помощью которого подсчитывают число волн на проверяемом образце.
700 тонн в основании 1 килограмма
Современные эталоны — это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А эталон массы был и остается гирей — платиново-иридиевой “образца 1889 года” (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Сущность самой измерительной операции также осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Конечно, изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия (так, например, были открыты аргон и другие инертные газы), но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.
Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.
Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма. Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.
Словом, мы, возможно, стоим на пороге революционного открытия в метрологии. Но пока “капризный килограмм” требует к себе большого почтения. Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01 о С, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг.
Когда погрешность не грех
Создание и эксплуатация эталонов требуют и больших сооружений, и больших затрат. Мы уже говорили о многотонном фундаменте эталона килограмма, не менее “легкий” фундамент и у радиооптического моста эталона времени. При эталоне метра “состоит” пятидесятиметровый интерферо метр для поверки мерных проволок и рулеток, при эталоне звукового давления в воде — гидроакус тический бассейн с 360 тоннами деаэрированной (“безвоздушной” — без растворенного воздуха) воды. Эталон единицы плотности потока нейтронов окружен массивными бетонными стенами; эталоны напряженности электрического и магнитного полей размещаются в больших залах, оборудованных специальными поглощающими покрытиями. Уникальное помехозащитное оборудование для испытаний включает наземный фундамент в 2500 тонн, подвешенный на пружинах.
Итак, точность обходится недешево. И все же разница в погрешности между отдельными видами эталонов колоссальная — от 5 . 10 -14 до 2,5 . 10 -3 , то есть в сто миллиардов раз. Почему? Во-первых, никто не занимается уменьшением погрешности эталонов, исходя только из научной любознательности — все определяют запросы науки и техники. Именно поэтому могут существовать уникальные экспериментальные установки, погрешность которых (во время эксперимента) меньше, чем у некоторых государственных эталонов. Со временем на базе таких установок создаются госэталоны нового поколения.
Во-вторых, метрологи сталкиваются с трудностями фундаментальными, связанными со свойствами (физической сущностью) эталонируемых величин. Например, напряженность электрического и магнитного полей необходимо измерять в свободном пространстве, создать эффект которого в помещении непросто. Еще сложнее обеспечить нужную конфигурацию поля. Поэтому погрешность эталона около одного процента считается вполне приемлемой. Не меньшие трудности встречают специалисты в области ионизирующих излучений. Заставить элементарные частицы отдать всю свою энергию в калориметре — задача принципиально невыполнимая. Приходится мириться с погрешностями, доходящими до пяти процентов.
Но вот с чем трудно мириться — с недальновидным отношением власть предержащих к метрологии, проявившимся в последние годы. Уровень эталонной базы страны определяет в конечном счете конкурентоспособность ее продукции на международном рынке, развитие науки и даже престиж государства. Бисмарк когда-то сказал: “Страна, которая не может содержать свою армию, будет содержать чужую”. Без эталонов, без единства измерений не обойтись. Не будет своих эталонов, придется платить за чужие. И платить дорого.
Читайте в любое время
Перевозимые водородные часы. Их используют для сличения вторичных эталонов времени и частот в других городах и странах. Процесс сличения достаточно сложен и длителен. Водородные часы подключают к основному эталону на две недели. И столько же времени после переезда они работают со вторичным эталоном. Вернувшиеся в институт водородные часы снова должны быть сверены с госэталоном. Если показания не изменились, сличение прошло успешно.
Государственный российский эталон массы. Эту килограммовую гирю из платины и иридия сделала в 1889 году парижская ювелирная фирма по заказу Международного бюро мер и весов. Всего таких эталонов было изготовлено 42, а стран, подписавших тогда конвенцию о принятии метрической системы, — 17. По мере “подключения” к новой системе измерений других стран им вручали эталон килограмма.
Зал эталона звукового давления не имеет ни одного прямого угла, чтобы минимальное отражение звука не возвращалось в ту же точку. Таким образом достигается абсолютная тишина в центре зала. Стены, потолок, пол покрыты клиньями из звукопоглощающего материала. Ходят в зале по сетке, натянутой над полом.
Во Франции утвердили новый мировой эталон килограмма
ПАРИЖ, 16 ноября. /ТАСС/. Новый эталон килограмма утвержден в пятницу в Версале на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам. Трансляция проходила на официальном канале конференции в сети YouTube.
Отныне в качестве эталонного килограмма будет использоваться универсальная формула, основанная на принципах квантовой физики. Ранее эталоном служил цилиндр из платино-иридиевого сплава, хранящийся в Международном бюро мер и весов в городе Севр во Франции.
Решение о переходе на новый эталон принято в рамках перехода к обновленной Международной системе единиц (SI). Помимо килограмма, новое определение теперь получили еще три единицы - кельвин (единица термодинамической температуры), ампер (единица силы электрического тока) и моль (единица измерения количества вещества). На предыдущем этапе обновления системы SI были утверждены новые стандарты секунды (время), канделы (сила света) и метра (длина).
Директор Международного бюро мер и весов Мартин Милтон назвал нынешний шаг "исторической вехой", сравнив его с принятием в 1875 году Метрической конвенции, которая на сегодняшний день служит основой измерительных систем на большей части земного шара. "Речь идет об окончательном отказе от связи системы SI с артефактами. Фактически принимается новая система единиц, которая будет использоваться почти во всех странах мира", - отметил он.
Эталон килограмма
Килограмм оставался последней мерой, эталоном которой служил физический объект. Как напомнил глава Национальной лаборатории метрологии и испытаний Франции Тома Гренон, такой подход имел очевидный изъян, состоявший в том, что "эталон килограмма существует уже достаточно долгое время, и его масса может изменяться". "Это не очень хорошо, учитывая, какая точность в измерениях нужна нам на данный момент", - указал ученый.
Теперь килограмм будет определяться не весом эталона, а количеством электрической энергии, которое необходимо, чтобы сдвинуть с места объект весом в килограмм. Энергия, в свою очередь, будет рассчитываться на основе постоянной Планка.
Килограмм стал легче
Изначально в 1795 году было введено понятие грамма - вес одного кубического сантиметра воды, - из чего следовало, что килограмм эквивалентен весу одного кубического дециметра воды (в тысячу раз больше). Для отражения этого веса был сначала изготовлен платиновый, а затем - платиново-иридиевый цилиндр, который хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севр близ Парижа. Доступ в комнату, где хранится эталонный цилиндр, имеют только три человека во всем мире, причем они должны одновременно повернуть ключ в замке, чтобы открыть дверь. Один из ключей постоянно находится у директора Международного бюро мер и весов, второй хранится в Архиве Франции, а третий - у председателя Международного комитета мер и весов.
В конце XX века ученые обнаружили, что эталон постепенно теряет массу, и было инициировано несколько проектов по разработке новой меры, не подверженной временным изменениям. В августе этого года сообщалось, что Росатом в четвертом квартале 2018 года поставит в Германию изотоп кремния-28 (28Si) для международного научного проекта "Килограмм-3" по созданию эталона массы нового поколения, сообщили ТАСС в пресс-службе Топливной компании ТВЭЛ (входит в Росатом). В рамках проекта создан новый эталон в виде идеального шара из поликристаллического кремния, обогащенного по стабильному изотопу 28Si, с отклонением от сферичности менее 30 нанометров.
Международная система единиц СИ окончательно перестала опираться на материальные эталоны
МОСКВА, 20 мая. /ТАСС/. Принципы расчета эталонных значений килограмма, ампера, кельвина и моля Международной системы СИ меняются во Всемирный день метрологии, который отмечается 20 мая. Новые определения были утверждены в ноябре 2018 года в Версале на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам.
Международная система единиц СИ (Systme international d'units, SI, СИ) - система единиц физических величин, современный вариант метрической системы, созданной в XVIII веке. Она принята в качестве основной в большинстве стран мира и наиболее часто используется в науке и технике, являясь самой широко используемой системой единиц в мире. Базовые единицы СИ - это метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (единица силы света).
Последние изменения открывают новый этап в истории системы СИ - с сегодняшнего она окончательно переходит с эталонов в качестве материальных объектов на более стабильные методы расчетов значений при помощи формул, основанных на физических константах (постоянных величинах, входящих в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи).
Килограмм оставался последней мерой, эталоном которой служил материальный объект. С 20 мая эталонный килограмм будет рассчитываться с помощью универсальной формулы, основанной на принципах квантовой физики, что гарантирует большую стабильность значений единицы.
Эталонный килограмм: от гири к формуле
Цилиндр из платино-иридиевого сплава, служивший эталоном килограмма до этого дня, хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севр во Франции. Его масса была принята в качестве определения килограмма в 1889 году. Век спустя специалисты обнаружили, что эталон килограмма постепенно становится легче в сравнении с официальными копиями. За 100 лет их масса изменилась по отношению к эталону на 50 микрограмм (0,05 миллиграмм).
Согласно изменениям, принятым на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам 16 ноября 2018 года, килограмм теперь будет определяться не массой материального объекта, а количеством электрической энергии, которое необходимо, чтобы сдвинуть с места объект весом в килограмм. Энергия, в свою очередь, будет рассчитываться на основе постоянной Планка.
Прикладное значение изменений
Введение нового определения повлияет на развитие тех научных областей и промышленных отраслей, где результат напрямую зависит от точности расчетов массы. Заместитель руководителя Росстандарт Сергей Голубев считает, что переход к новому определению килограмма может способствовать развитию фармацевтики.
"[Фармацевтика] - это одна из отраслей промышленности, где отмечается нехватка точности существующих подходов и определений <. >Фармацевтика и научная деятельность, если мы говорим о килограмме, - два ключевых направления, где произойдут какие-то перемены с переходом на новые определения", - сказал он корреспонденту ТАСС.
Говоря о конкретных преимуществах, которые получат производители и потребители лекарств после перехода на использование эталона килограмма в виде физической формулы, Голубев назвал "более точные дозировки, лучшее качество препаратов и лучшую воспроизводимость их свойств от партии к партии".
Еще три новых эталона
На 26-й Генеральной конференции по мерам и весам 16 ноября 2018 государства - члены Международного бюро мер и весов проголосовали за пересмотр Международной системы единиц (СИ), изменив мировое определение не только килограмма (единица массы), но и ампера (единица силы электрического тока), кельвина (единица термодинамической температуры) и моля (единица измерения количества вещества). Новые определения еще трех единиц системы СИ основаны на фиксированных числовых значениях элементарного заряда (e), постоянной Больцмана (k) и постоянной Авогадро (N A).
Кельвин определялся как определенная часть термодинамической температуры тройной точки воды - значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трех фаз (твердом, жидком и газообразном состояниях). Теперь 1 кельвин соответствует заданным параметрам изменения тепловой энергии. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана - физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией.
"Новое определение [эталона кельвина] - определение термодинамическое, истинная температура. По старому определению это была так называемая практическая температура. Если вам нужно было изменить температуру, скажем, 3 тыс. градусов погрешность получалась очень большая, около 3 градусов кельвина. Сейчас же, по этому определению, вы получаете десятые доли градуса, то есть во много раз повышается точность измерения температуры, в том числе высокой температуры Точность измерения температуры, в том числе высокой, нужна для очень многих областей - это полупроводниковые технологии, технологии волоконных линий, металлургия, физика", - сказал ТАСС доктор технических наук, профессор Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений Виктор Саприцкий.
Моль, определявшийся как количество вещества системы (к примеру, в растворе), содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг, теперь определяется как количество вещества системы, которая содержит число Авогадро (физическая постоянная, соответствующая числу атомов или молекул, содержащихся в одном моле вещества).
"[Новое определение эталона моля] очень важно для химии, биологии, медицины, пищевой промышленности - здесь важно знать соотношение веществ, которые смешиваются, потому что это завязано на молекулярную массу, и, соответственно, на единицу моль. Уточнение касается числа Авогадро - фундаментальной физической константы, наряду со скоростью света и зарядом электрона, которая определяет многие макропроцессы", - сообщил ТАСС доктор технических наук, профессор Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений Геннадий Левин.
Новый эталон ампера определяется как электрический ток, соответствующий заданному значению потока элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона.
Читайте также: