Кілограм, ампер і міль відв'язали від зразків мір і ваг

Опубликованно 23.11.2018 01:10

Учасники 26-й Генеральній конференції з мір та ваг, що проходить в Парижі, прийняли історичне рішення про перевизначенні чотирьох із семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ) — кілограма, ампера, кельвіна і моля. Цим рішенням кілограм був «отвязан» від матеріального носія-еталона, і тепер визначається через постійну Планка. З цього моменту всі одиниці системи СІ прив'язані до фундаментальних фізичних констант. Трансляція засідання конференції, де одноголосно було прийнято це рішення, велася на сайті Міжнародного бюро мір і ваг.

Нинішнє рішення завершує реформу, що тривала кілька десятків років: ще в 1983 році метр був прив'язаний до значення швидкості світла у вакуумі (та значення швидкості було зафіксовано, були припинені всі програми вимірювання швидкості світла у вакуумі, оскільки його значення стало відомим за визначенням. У 2005 році дослідники визначилися у виборі ще трьох констант для перевизначення інших одиниць. Постійна Планка була обрана як основа для визначення одиниці маси, кілограми, елементарний електричний заряд (заряд електрона) — одиниці сили струму, а постійна Больцмана — термодинамічної температури.

Для того, щоб завершити цей перехід, знадобилося кілька років для того, щоб з високою точністю виміряти константи.

До цього дня одиниця маси кілограм була прив'язана до рукотворного артефакту, циліндру із сплаву платини та іридію, який зберігається у французькому місті Севр. Результати кількох міжнародних звірень національних копій, виготовлених з того ж матеріалу, засвідчили, що їх маси змінюються відносно головного еталону в діапазоні ±50 мікрограмів за 100 років. Наскільки при цьому змінилася маса головного еталона — невідомо, оскільки його не з чим порівнювати. Для багатьох типів вимірювань таке відхилення може призвести до недостовірних результатів.

Тепер затверджено нове визначення кілограма, засноване на постійної Планка. Установка, за допомогою якої можна реалізувати новий еталон маси, називається ваги Киббла. У таких вагах еталоном виступає вантаж, який врівноважує силу відштовхування між постійним магнітом і котушкою, по якій пропускають струм. Таким чином, масу об'єкта можна знайти за рахунок рівності електричної і механічної сил (більш докладно про пристрої даного приладу можна прочитати тут). Константа Планка «ховається» в рівняннях, що описують роботу електричної частини установки, і без її фіксування перевизначити кілограм було неможливо. Примітно, що та ж сама установка раніше використовувалася як раз для уточнення константи Планка, але для цього застосовувався інший режим її роботи. Уточнення константи Планка, зокрема, присвячено наш текст «Останній еталон».

Завдяки новому визначення кілограма, кожна країна зможе відтворювати еталонну установку самостійно в будь-який час, не вдаючись до звірці з головним еталоном.

Конференція також затвердила нове визначення ампера. Попереднє визначення, затверджене в 1948 році, було засновано на вимірюванні сили, діючої на паралельні провідники зі струмом. Тепер вчені вирішили зафіксувати не тільки чисельне значення сталої Планка для кілограми, але і чисельне значення електричного заряду — для нового визначення ампера.

Одиниця температури — кельвін — до сьогоднішнього дня визначалася як 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води. Це визначення створювало свої незручності, оскільки у воді завжди є домішки важких ізотопів водню і кисню, і вони можуть значно зрушувати потрійну точку. Тому метрологам довелося створити окремий стандарт — Віденський стандарт усередненої океанської води. Її рецепт виглядає так: 0,00015576 моля дейтерію на моль звичайного водню; 0,0003799 моля 17 O на моль 16O, і 0,0020052 моля 18O на моль 16O. Крім того, для того, щоб визначати точні значення в інших діапазонах, вченим доводилося контролювати точки плавлення і кипіння кількох інших речовин. Нове визначення кельвіна засноване на постійної Больцмана, яка тепер буде точно дорівнює 1,380649 ? 10-23 Дж ? K-1(джоуль на кельвін).

Моль до цього часу був прив'язаний до кількості атомів у 0,012 кг стабільного вуглецю-12, тобто був пов'язаний з масою. У новій версії системи СІ він буде визначений через зафіксовану постійну Авогадро, тобто буде рівний 6,02214076?1023 частинок.

Проект реформи був ухвалений сьогодні, але набере чинності вона у Всесвітній день метрології, 20 травня 2019 року.

Нагадаємо, раніше повідомлялося, що від еталонного кілограма відмовляться.

Категория: Технологии