Килограмм

Надо сказать, что впервые вопросом создания всемирной системы точного определения мер люди всерьез озаботились лишь в конце XVIII века. В то время эту идею усиленно продвигали ученые и промышленники - и тем, и другим, хоть и для разных нужд, было необходимо точно измерять массу, площадь, расстояние, длину и многие другие величины.

в 1795 году метрическая система была принята официально, то есть в соответствующих правительственных документах появились прописанные определения единиц длины, площади, объема и массы.

Новая система с самого начала планировалась как универсальная, то есть определения единиц измерения не должны были зависеть от эталонов, хранящихся в какой-то одной стране. Чтобы исполнить задуманное, все определения решено было построить на одной-единственной единице, взятой из природы.

Ею стал метр (килограмм определялся как масса одного литра - кубического дециметра - воды), который, по настоянию Лапласа, определили, как десятимиллионную часть четверти меридиана.

В 1799 году были изготовлены первые эталоны метра и килограмма из платины для практического использования, а метрическая система во Франции была провозглашена обязательной к применению.

В 1872 году была сформирована международная комиссия, которая попыталась решить возникшие трудности. В результате ее работы было решено считать метром не одну десятимиллионную часть четверти меридиана, а хранящийся во Франции архивный эталон. Свой эталон сделали и для килограмма, который вследствие этого потерял связь с метром. В результате комиссия отвергла сразу два принципа, заложенных в основу метрической системы - сведение всего к одной единице и использование природных объектов.

В 1875 году была созвана первая Метрическая конвенция, результатом которой стало подписание 17 странами договора об использовании метрической системы. Каждая из стран получила по копии главного килограмма и главного метра из Франции.

В 1948 году Международный Союз чистой и прикладной физики приступил к разработке универсальной системы, которая включала бы в себя все единицы измерения. Так, в 1960 году на первой Генеральной конференции по мерам и весам была создана система Основными единицами системы стали ампер (сила тока), моль (количество вещества), килограмм (масса), кельвин (температура), секунда (время), метр (расстояние) и кандела (cила света).

16 ноября 2018 года в Париже состоялось событие, которое стало переломным в научном мире. На 26-й Генеральной конференции по мерам и весам были подведены итоги многолетней работы мирового научно-технического сообщества по пересмотру базовых единиц Международной системы единиц (SI) – килограмма (массы), кельвина (температуры), ампера (электрического тока) и моля (количества вещества). Планируемый пересмотр был самым значимым как по масштабу, так и по фундаментальности.

Обновление затронуло и такие единицы, как кандела, секунда, метр. Теперь все единицы будут определяться не физическими объектами макромира, а фундаментальными константами природы – …

Базовые единицы СИ - это метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (единица силы света).

Килограмм

прошлое определение принятое III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулировалось так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». При этом Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в городе Севр неподалёку от Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Размер прототипа примерно соответствует размеру мяча для гольфа.

Компьютерное изображение международного прототипа килограмма

Проблема с эталоном килограмма состоит в том, что любые материалы могут терять атомы или, наоборот, пополняться атомами из окружающего пространства. В частности, различные официальные копии эталонного килограмма, который хранится в Севре, отличаются по весу от официального эталона. Разница достигает 60 микрограмм. Такие изменения произошли за более чем 100 лет с момента создания копий.

Эта проблема решается, если определить единицу измерения через другую физическую постоянную. Собственно, в новом определении килограмма так и сделано: здесь используется постоянная Планка.

Новое определение: 1 килограмм равен постоянной Планка, поделенной на 6,626070040 × 10−34 м2·с−1. Для выражения единицы требуется постоянная Планка.

Измерение массы на практике возможно с помощью ваттовых весов: через два отдельных эксперимента со сравнением механической и электромагнитной силы, а затем путём перемещения катушки через магнитное поле для создания разности потенциалов (на иллюстрации внизу). Грубо говоря, масса вычисляется через электроэнергию, которая необходима, чтобы поднять предмет, лежащий на другой чаше весов.

Кельвин

1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём. В обязательном Техническом приложении к тексту Международной температурной шкалы МТШ‑90 Консультативный комитет по термометрии установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды.

Тройная точка воды — строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, чей изотопный состав определён следующими соотношениями:

0,00015576 моля 2H на один моль 1Н

0,0003799 моля 17О на один моль 16О

0,0020052 моля 18О на один моль 16О.

Проблемы современного определения очевидны. При практической реализации величиа кельвина зависит от изотопоного состава воды, а на практике практически невозможно добиться молекулярного состава воды

Новое определение: 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии на 1,38064852 × 10−23 джоулей. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана.

Измерять точную температуру можно с помощью измерения скорости звука в сфере, заполненной газом. Скорость звука пропорциональна скорости перемещения атомов.

Моль

Современное определение: моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.

Новое определение: количество вещества системы, которая содержит 6,022140857 × 1023 специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро).

Для вычисления числа Авогадро — и определения моля через него — учёные предложили создать идеальную сферу из чистого кремния-28. У этого вещества идеально точная кристаллическая решётка, так что количество атомов в сфере можно определить, если точно измерить диаметр сферы (с помощью лазерной системы). В отличие от существующего куска платиново-иридевого сплава, скорость потери атомов кремния-28 точно предсказуема, что позволяет вносить коррективы в эталон.

В 2014 году американские физики сумели обогатить кремний-28 до беспрецедентного качества в 99,9998% в рамках международного проекта по расчёту числа Авогадро.

Ампер

Современное определение предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1948 году: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютона».

В современном определении ампер определяется через некий мысленный эксперимент, который предусматривает возникновение силы в двух проводах бесконечной длины. Очевидно, что на практике мы не может измерить такую силу, потому что по определению не может существовать двух проводников бесконечной длины.

новое определение выражается только через одну постоянную — заряд электрона.

Новое определение: электрический ток, соответствующий потоку 1/1,6021766208 × 10−19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона.

На практике для определения ампера понадобится только один инструмент — одноэлектронный насос. Такие инструменты создали несколько лет назад. Они позволяют перемещать определённое количество электронов в течение каждого насосного цикла, что является крайне ценным качеством для фундаментальной науки и метрологии.

на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам метр был определен как расстояние, проходимое светом за одну 299 792 458-ю долю секунды в вакууме. Следствием нового определения стало то, что метр оказался привязан к фундаментальной константе c и секунде. Как следствие, скорость света стала постоянной и отныне в точности равна 299 792 458 метрам в секунду.

Аналогичным (связанным с константами и другими величинами) образом были переопределены секунда и кандела. Так, с 1967 года секунда - это промежуток времени равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0 и F = 3, M = 0 основного состояния атома цезия-133. В 1997 году в определение были внесены поправки, согласно которым атом следует рассматривать в состоянии покоя при абсолютном нуле в отсутствие внешних полей.

Наконец, кандела - сила света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540×10^12 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Ватт на стерадиан (ватт выражается через остальные единцы СИ, а стерадиан - единица измерения телесного угла - считается внесистемной, однако легко воспроизводимой в лаборатории с участием того же метра).

ДОПОЛНЕНИЕ

Килограмм определяется через установление фиксированного численного значения постоянной Планка h, равного 6,62607015 × 10-34, выраженного в единицах Дж∙с, что равняется кг∙м2∙с-1, где метр и секунда выражены через с (скорость света в вакууме) и ΔvCs (цезиевая частота).

Для практической реализации нового определения килограмма могут быть использованы два метода:

- определение неизвестной массы с на ватт-весах (также известных как весы Киббла), в основе которых лежит уравновешивание массы груза силой Лоренца, возникающей в катушке с постоянным током, помещенной в магнитное поле постоянного магнита;

- определение неизвестной массы путем сравнения с массой единичного атома Кремния-28 в кристалле, выраженной через h, c и ΔvCs.

Кандела определяется через установление фиксированного численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540 × 1012 Гц, Kcd, равного 683, выраженного в единицах лм∙Вт-1, что равняется Кд∙ср∙кг-1∙м-2∙с3, где килограмм, метр и секунда выражены через h (постоянная Планка), c (скорость света в вакууме) и ΔvCs (цезиевая частота).

Поскольку метр определяется через скорость света, его можно воспроизводить независимо в любой хорошо оборудованной лаборатории. Так, интерференционным методом штриховые и концевые меры длины, которыми пользуются в мастерских и лабораториях, можно поверять, проводя сравнение непосредственно с длиной волны света. Погрешность при таких методах в оптимальных условиях не превышает одной миллиардной. С развитием лазерной техники подобные измерения весьма упростились, и их диапазон существенно расширился.

Точно так же секунда в соответствии с ее современным определением может быть независимо реализована в компетентной лаборатории на установке с атомным пучком. Атомы пучка возбуждаются высокочастотным генератором, настроенным на атомную частоту, и электронная схема измеряет время, считая периоды колебаний в цепи генератора. Такие измерения можно проводить с точностью порядка 1·10-12 – гораздо более высокой, чем это было возможно при прежних определениях секунды, основанных на вращении Земли и ее обращении вокруг Солнца. Время и его обратная величина – частота – уникальны в том отношении, что их эталоны можно передавать по радио. Благодаря этому всякий, у кого имеется соответствующее радиоприемное оборудование, может принимать сигналы точного времени и эталонной частоты, почти не отличающиеся по точности от передаваемых в эфир.

Для практической реализации нового определения ампера могут быть использованы три метода:

- через Закон Ома и отношение А = В/Ом, используя практические реализации производных единиц SI вольт и ом, основанные на квантовых эффектах Джозефсона и Холла, соответственно;

- используя одноэлектронные насосы или аналогичные устройства и отношение А = Кл/с, с учетом значения e (элементарный заряд), приведенного в определении ампера и практической реализации основной единицы SI секунды;

- через уравнение I = C∙dU/dt и отношение А = Ф∙В/с, используя практические реализации производных единиц вольт и фарад, а также основной единицы SI секунды.

Кельвин, символ К, единица термодинамической температуры в SI. Определяется через установление фиксированного численного значения постоянной Больцмана k, равного 1,380649 × 10-19, выраженного в единицах Дж∙К-1, что равняется кг∙м2∙с-2∙К-1, где килограмм, метр и секунда выражены через h (постоянная Планка), c (скорость света в вакууме) и ΔvCs (цезиевая частота).

Для практической реализации нового определения кельвина может быть использован метод акустической газовой термометрии, использующий соотношение между скоростью звука u в идеальном газе и термодинамической температурой Т этого газа: u2 = γkT/m, где k – постоянная Больцмана, m – средняя молекулярная масса газа, γ – отношение теплоемкости газа при постоянном давлении его теплоемкости при постоянном объеме, и другие методы.

Моль, символ моль, единица количества вещества в SI. Один моль содержит ровно 6,02214076 × 1023 структурных единиц. Данное число является фиксированным численным значением постоянной Авогадро NA, выраженным в единицах моль-1, и называется числом Авогадро.

В настоящее время наиболее точной реализацией моля является результат эксперимента, проведенного в рамках Международного Проекта Авогадро, в рамках которого было получено наиболее точное определение постоянной Авогадро. При этом определяется количество атомов Кремния-28 в едином кристалле, используя методы объемные и интерферометрические методы измерения: N = 8Vs/a(28Si)3, где Vs – объем кристалла, 8 – число атомов в ячейке кристаллической решетки Кремния-28, а a(28Si) – постоянная кристаллической решетки.