Из сплава каких металлов изготовлен эталон килограмма

Обновлено: 07.01.2025

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.

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.

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

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°C, 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 0 К.

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.

Эталон килограмма, хранящийся в Международном бюро мер и весов (BIMP) в Париже. Фото: BIMP

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 50 × 10 −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 1,602176634 × 10 −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 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

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

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

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 R_k = 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.

Из чего сделан эталон килограмма? Почему он уменьшается?

"Килограмм, единица массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ) . Он равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов.

Прототип в 1799 году был выполнен в виде цилиндрической гири из платины.
Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 грамма больше массы одного кубического дециметра воды.

В 1889 году было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа была утверждена гиря со знаком К ("К" готическое заглавное) , изготовленная из платиноиридиевого сплава (10% Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм".

Сработанный английским ювелиром платиноиридиевый килограмм — единственная основная единица СИ, доблестно хранящая своё определение аж с позапрошлого века. И сама хранящаяся в виде материального артефакта.

В изменчивости килограмма не осталось никаких сомнений, несмотря на все меры предосторожности: эталон хранится под тремя герметичными стеклянными колпаками в сейфе охраняемого замка в окрестностях Парижа, а ключи от сейфа имеют лишь три особо приближенных бюрократа из Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures — BIPM).

Вместе с главным килограммом в сейфе располагаются 6 преемников, а всего за время правления по его образу и подобию было изготовлено более 80 копий.
Для освидетельствования престарелого килограмма, происходящего раз в год, он торжественно извлекается из своего хранилища. И каждый раз обнаруживается микроскопическое уменьшение веса.
Загадка состоит в том, что эталон килограмма и все его копии сделаны из одного и того же материала, некоторые из них были сделаны даже в одно и то же время. Они содержатся в одинаковых условиях. Однако, несмотря на все это, их массы со временем все больше и больше отличаются друг от друга.
Килограмм чахнет. Об этом ясно говорят сравнения с другими обитателями сейфа. Природа болезни загадочна, но все симптомы налицо: за сто лет килограмм теряет около 0,00000003-й части своей драгоценной массы.

А ведь даже похудение всего на 50 микрограмм (меньше веса соляной крупинки) может серьёзно исказить результаты сложных научных вычислений. Не вызывает сомнений необходимость замены уникального килограмма на абстрактный килограмм.

Международная команда исследователей из Германии, Австралии, Италии и Японии под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) хочет переопределить килограмм как массу определённого числа атомов. В лаборатории сделан совершенно круглый килограммовый шар из чистого кристаллического кремния.
Если точно известно, какие атомы составляют кристалл и на каком расстоянии они находятся друг от друга, то, измерив размер шара, можно вычислить число атомов кремния, его составляющих. Это число и будет определением килограмма.

Точно установить причины изменения массы так и не удалось, хотя влияние фазы Луны, внутреннего атмосферного давления и интенсивности электромагнитных лучей Солнца было зафиксировано и экспериментально подтверждено.

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.

Эталоны килограмма

В наши дни килограмм остался единственной из семи основных единиц Международной системы единиц, привязанных к физическому объекту, а не определенных через физические константы нашей Вселенной. Эталон килограмма — цилиндр из сплава платины с иридием диаметром и высотой 39,17 мм. Однако более чем за столетие, несмотря на все меры предосторожности, эталон стал легче на 30 микрограмм, и Международный комитет мер и весов принял решение переопределить понятие измерительной единицы «килограмм», связав ее не с рукотворным артефактом, а с постоянной Планка, значение которой, правда, тоже требуется уточнить. Одним из способов уточнения постоянной Планка является определение значения числа Авогадро, а для уточнения этой величины необходимо сосчитать количество атомов в образце вещества — той самой сфере из кремния. Значение числа Авогадро будет определено тем точнее, чем более однороден материал и чем меньшее количество примесей в нем содержится. Именно поэтому с начала 2010-х годов исследователи выращивают монокристаллы из нуклида 28 Si, стараясь получить кристалл идеальной сферической формы с ультравысокой степенью чистоты.

Недавно исследователи, можно сказать, приблизились к идеалу — они получили практически идеальный объект для будущей «перезагрузки» килограмма. Крайне низкое содержание примесей в материале нового эталона было подтверждено с помощью нейтронно-активационного анализа. Суть этого метода заключается в том, что образец бомбардируют нейтронами, в результате чего образуются обладающие небольшим периодом полураспада радиоактивные изотопы элементов, пути радиоактивного распада для которых известны. Таким образом, нейтронно-активационный анализ позволяет определить и природу, и содержание каждого из химических элементов в образце.

Оказалось, что самая существенная примесь в сферическом монокристалле кремния — медь, которая содержится в количестве около 70 нанограмм на грамм образца (один атом меди на три миллиарда атомов кремния). Также обнаружены еще меньшие количества хрома, кобальта, галлия, мышьяка, брома, лантана, вольфрама и золота, другие элементы не обнаружены даже в следовых количествах. С учетом всех обнаруженных загрязнений получается, что материал, использовавшийся для кремниевой сферы, чист настолько, что если бы точно такой же монокристалл состоял только из атомов кремния 28 Si, его масса отличалась бы от массы изученной сферы всего на 0,7 микрограмм. Это позволяет говорить о том, что изученный сферический монокристалл кремния является наиболее химически чистым артефактом, созданным человеком. Его чистота выше, чем у похожего образца, уже применявшегося в 2015 году для определения числа Авогадро. Этот объект позволит определить постоянную Планка с максимальной точностью, вероятно, навсегда «отвязав» Междунарождную систему единиц от материальных эталонов, которые, как показывает практика, могут менять свои свойства со временем.

Аркадий Курамшин

Fireman 30.06.2017 13:47 Ответить

Интересно, а если постоянная окажется непостоянной - как это можно будет определить, если все единицы измерения будут привязаны к этим константам?

И еще интересно - сейчас секунда привязана к излучению Цезия, но есть атомные часы на других элементах, точность/стабильность которых заявлена выше. А как это определили, из теории или как-то практически? Если есть более точные часы - почему пока не принято решение о изменении секунды на привязку к другим, отличным от цезиевых, часам?

Rattus Fireman 07:47 Ответить

>Интересно, а если постоянная окажется непостоянной - как это можно будет определить, если все единицы измерения будут привязаны к этим константам?

А они и так к ним привязаны по самой природе.
Непостоянство констант можно определить только в отличиях между ними.

Читайте также: