2018 można nazwać rokiem pamiętnym w metrologii, ponieważ jest to czas prawdziwej rewolucji technologicznej w międzynarodowym układzie jednostek wielkości fizycznych SI. Chodzi o zrewidowanie definicji głównych wielkości fizycznych. Czy kilogram ziemniaków w supermarkecie waży teraz w nowy sposób? Ziemniaki C będą takie same. Coś jeszcze się zmieni.
Przed systemem SI
W starożytności potrzebne były wspólne standardy wag i miar. Ale ogólne zasady pomiarów stały się szczególnie potrzebne wraz z nadejściem postępu naukowego i technologicznego. Naukowcy musieli mówić wspólnym językiem: jedna stopa to ile centymetrów? A czym jest centymetr we Francji, kiedy nie jest tym samym co włoski?
Francję można nazwać honorowym weteranem i zwycięzcą historycznych bitew metrologicznych. To we Francji w 1791 roku system pomiarowy został oficjalnie zatwierdzony, a ichjednostki, a definicje głównych wielkości fizycznych zostały opisane i zatwierdzone jako dokumenty państwowe.
Francuzi jako pierwsi zrozumieli, że wielkości fizyczne powinny być powiązane z obiektami naturalnymi. Na przykład jeden metr został opisany jako 1/40,000,000 długości południka z północy na południe w kierunku równika. Był więc przywiązany do wielkości Ziemi.
Jeden gram został również powiązany ze zjawiskami naturalnymi: został zdefiniowany jako masa wody w centymetrze sześciennym przy temperaturze bliskiej zeru (topnienie lodu).
Ale jak się okazało, Ziemia wcale nie jest idealną kulą, a woda w kostce może mieć różne właściwości, jeśli zawiera zanieczyszczenia. Dlatego rozmiary tych wielkości w różnych częściach planety nieznacznie różniły się od siebie.
Na początku XIX wieku Niemcy pod wodzą matematyka Karla Gaussa weszli do biznesu. Zaproponował aktualizację systemu miar centymetr-gram-sekunda i od tego czasu jednostki metryczne poszły w świat, naukę i zostały uznane przez społeczność międzynarodową, powstał międzynarodowy system jednostek wielkości fizycznych.
Postanowiono zastąpić długość południka i masę kostki wody wzorcami, które były przechowywane w Biurze Miar w Paryżu, z dystrybucją kopii do krajów uczestniczących w metryce konwencja.
Kilogram na przykład wyglądał jak walec wykonany ze stopu platyny i irydu, co ostatecznie również nie stało się idealnym rozwiązaniem.
Międzynarodowy układ jednostek wielkości fizycznych SI powstał w 1960 roku. Początkowo zawierało sześćpodstawowe wielkości: metry i długość, kilogramy i masa, czas w sekundach, natężenie prądu w amperach, temperatura termodynamiczna w kelwinach i światłość w kandelach. Dziesięć lat później dodano do nich jeszcze jedną - ilość substancji mierzoną w molach.
Ważne jest, aby wiedzieć, że wszystkie inne jednostki miary wielkości fizycznych systemu międzynarodowego są uważane za pochodne jednostek podstawowych, to znaczy można je obliczyć matematycznie przy użyciu podstawowych wielkości systemu SI.
Z dala od standardów
Standardy fizyczne okazały się nie być najbardziej wiarygodnym systemem pomiarowym. Sam standard kilograma i jego kopie według kraju są okresowo porównywane ze sobą. Uzgodnienia pokazują zmiany mas tych wzorców, co ma miejsce z różnych powodów: kurz podczas weryfikacji, interakcja ze stojakiem, czy coś innego. Naukowcy od dawna zauważają te nieprzyjemne niuanse. Nadszedł czas, aby zrewidować parametry jednostek wielkości fizycznych systemu międzynarodowego w metrologii.
Dlatego niektóre definicje wielkości stopniowo się zmieniały: naukowcy próbowali odejść od fizycznych standardów, które w taki czy inny sposób zmieniały swoje parametry w czasie. Najlepszym sposobem jest wyprowadzenie wielkości w kategoriach niezmiennych właściwości, takich jak prędkość światła lub zmiany w strukturze atomów.
W przededniu rewolucji w systemie SI
Główne zmiany technologiczne w międzynarodowym systemie jednostek wielkości fizycznych są dokonywane poprzez głosowanie członków Międzynarodowego Biura Miar na dorocznej konferencji. Jeśli zostaną zatwierdzone, zmiany zaczną obowiązywać po kilkumiesięcy.
Wszystko to jest niezwykle ważne dla naukowców, których badania i eksperymenty wymagają najwyższej precyzji pomiarów i formułowania.
Nowe normy referencyjne 2018 pomogą osiągnąć najwyższy poziom dokładności w każdym pomiarze w dowolnym miejscu, czasie i skali. A wszystko to bez utraty dokładności.
Przedefiniowanie wielkości w układzie SI
Dotyczy czterech z siedmiu działających podstawowych wielkości fizycznych. Postanowiono przedefiniować następujące wielkości za pomocą jednostek:
- kilogram (masa) przy użyciu jednostek stałej Plancka w wyrażeniu;
- amper (prąd) z pomiarem ładunku;
- kelwin (temperatura termodynamiczna) z wyrażeniem jednostkowym przy użyciu stałej Boltzmanna;
- mole przez stałą Avogadro (ilość substancji).
Dla pozostałych trzech wielkości sformułowanie definicji zostanie zmienione, ale ich istota pozostanie niezmieniona:
- metr (długość);
- sekunda (czas);
- candela (intensywność światła).
Zmiany z Amp
Czym jest amper jako jednostka wielkości fizycznych w dzisiejszym międzynarodowym układzie SI, zaproponowano w 1946 roku. Definicja była powiązana z natężeniem prądu między dwoma przewodnikami w próżni w odległości jednego metra, wyszczególniając wszystkie niuanse tej struktury. Niedokładność i kłopotliwy pomiar to dwie główne cechy tej definicji z dzisiejszego punktu widzenia.
W nowej definicji amper jest prądem elektrycznym równymprzepływ stałej liczby ładunków elektrycznych na sekundę. Jednostka jest wyrażona w ładunkach elektronów.
Aby określić zaktualizowany amper, potrzebne jest tylko jedno narzędzie - tak zwana pompa jednoelektronowa, która jest w stanie poruszać elektronami.
Nowa czystość molowa i krzemu 99,9998%
Stara definicja mola odnosi się do ilości materii równej liczbie atomów w izotopie węgla o masie 0,012 kg.
W nowej wersji jest to ilość substancji zawarta w ściśle określonej liczbie określonych jednostek strukturalnych. Jednostki te są wyrażone za pomocą stałej Avogadro.
Jest też wiele zmartwień z numerem Avogadro. Aby to obliczyć, postanowiono stworzyć kulę z krzemu-28. Ten izotop krzemu wyróżnia się dopracowaną do perfekcji precyzyjną siecią krystaliczną. Dlatego liczbę zawartych w niej atomów można dokładnie policzyć za pomocą systemu laserowego, który mierzy średnicę kuli.
Można oczywiście argumentować, że nie ma zasadniczej różnicy między kulą krzemową-28 a obecnym stopem platynowo-irydowym. Zarówno ta, jak i inna substancja z czasem traci atomy. Przegrywa, prawda. Ale krzem-28 traci je w przewidywalnym tempie, więc poprawki będą dokonywane przez cały czas.
Najczystszy krzem-28 dla kuli został niedawno uzyskany w USA. Jego czystość wynosi 99,9998%.
A teraz Kelvin
Kelwin jest jedną z jednostek wielkości fizycznych w systemie międzynarodowym i służy do pomiaru poziomu temperatury termodynamicznej. „Stary sposób” jest równy 1/273, 16części temperatury punktu potrójnego wody. Niezwykle ciekawym elementem jest potrójny punkt wody. Jest to poziom temperatury i ciśnienia, przy którym woda znajduje się jednocześnie w trzech stanach – „para, lód i woda”.
Definicja „utykając na obu nogach” z następującego powodu: wartość kelwina zależy przede wszystkim od składu wody o teoretycznie znanym stosunku izotopów. Jednak w praktyce nie udało się uzyskać wody o takich właściwościach.
Nowy kelwin zostanie zdefiniowany w następujący sposób: jeden kelwin odpowiada zmianie energii cieplnej o 1,4 × 10−23j. Jednostki są wyrażone za pomocą stałej Boltzmanna. Teraz poziom temperatury można zmierzyć, ustalając prędkość dźwięku w kuli gazowej.
Kilogram bez standardu
Wiemy już, że w Paryżu istnieje standard platyny z irydem, który w jakiś sposób zmienił swoją wagę podczas stosowania w metrologii i systemie jednostek wielkości fizycznych.
Nowa definicja kilograma to: Jeden kilogram jest wyrażony jako stała Plancka podzielona przez 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Pomiar masy można teraz wykonać na wadze „watowej”. Nie daj się zwieść nazwie, to nie są zwykłe wagi, ale elektryczność, która wystarczy, aby podnieść przedmiot leżący po drugiej stronie wagi.
Zmiany zasad konstruowania jednostek wielkości fizycznych i ich układu jako całości są potrzebne przede wszystkim w teoretycznych dziedzinach nauki. Główne czynniki w zaktualizowanym systemiesą teraz stałymi naturalnymi.
To logiczny wniosek z wieloletniej działalności międzynarodowej grupy poważnych naukowców, których wysiłki przez długi czas miały na celu znalezienie idealnych wymiarów i definicji jednostek w oparciu o prawa fizyki fundamentalnej.
