Эталон килограмма: от платинового цилиндра до квантовой физики

Эталон килограмма представляет собой международный стандарт массы, который используется для определения единицы массы в системе метрических единиц. Его значение определено так, что масса всех объектов измеряется относительно этого стандарта.

Основная необходимость эталона килограмма заключается в обеспечении единообразия измерений массы в различных странах и лабораториях. Это позволяет обеспечивать точность и согласованность в научных и технических измерениях по всему миру.

Без эталона килограмма была бы сложно обеспечить стандартизацию массы объектов и материалов, что затруднило бы научные и инженерные исследования, торговлю и многие другие области деятельности.

Какими были первые международные эталоны массы и почему они были именно такими

Единица массы в международной системе единиц (СИ) — килограмм. Он определяется как масса международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, Франция. Но какими были первые международные эталоны массы и почему они были именно такими?

Первые попытки создать универсальный эталон массы были предприняты в конце XVIII века, когда Франция ввела метрическую систему единиц. Тогда было решено, что единица массы должна быть связана с единицей длины — метром. Поэтому был введен термин «грамм» — масса кубического сантиметра воды при температуре плавления льда. Однако такой эталон был неудобен для практического использования, так как требовал точного измерения объема и температуры воды. Кроме того, масса воды зависела от ее чистоты и состава.

Поэтому было решено создать физический эталон массы, который был бы равен массе 1000 граммов воды. Для этого была изготовлена гиря из платины, которая называлась «килограмм дес Архива» (килограмм Архива). Она была утверждена в 1799 году как национальный эталон массы Франции. В 1875 году была подписана Метрическая конвенция, по которой 17 стран мира согласились использовать единую систему единиц и создать международные эталоны метра и килограмма. Для этого были изготовлены 40 копий килограмма Архива из платиноиридиевого сплава, которые были распределены между странами-участницами. Одна из копий, имевшая номер 1, была выбрана в качестве международного прототипа килограмма и хранится в Севре с 1889 года. Остальные копии служат как национальные эталоны массы разных стран.

Причиной выбора платины и платиноиридия для изготовления эталонов массы были их высокая плотность, твердость, устойчивость к коррозии и окислению, а также малая зависимость объема от температуры. Кроме того, эти металлы были редкими и дорогими, что придавало им особую ценность и важность.

Таким образом, первые международные эталоны массы были созданы на основе физических объектов, которые имели определенные свойства и характеристики. Они были необходимы для обеспечения единства и точности измерений в разных странах и областях науки и техники.

Как и где хранятся эталоны килограмма и метра в Париже

Эталоны килограмма и метра — это средства измерений, которые обеспечивают воспроизведение и хранение единиц физических величин массы и длины. Они используются для передачи этих единиц другим средствам измерений и для согласования международных стандартов.

До 2019 года эталоном килограмма служил цилиндр из платино-иридиевого сплава, который хранился в Международном бюро мер и весов (BIPM) в городе Севр близ Парижа. Этот цилиндр был изготовлен в 1879 году и имел массу, равную массе одного литра воды при температуре плавления льда. Он был помещен в специальный сейф, доступ к которому имели только три человека, которые должны были одновременно повернуть ключ в замке, чтобы открыть дверь. Один из ключей постоянно находился у директора BIPM, второй хранился в Архиве Франции, а третий — у председателя Международного комитета мер и весов.

Эталоном метра также служил платино-иридиевый цилиндр, который был изготовлен в 1889 году и имел длину, равную одной десятимиллионной части расстояния от экватора до полюса Земли. Он хранился в Палате мер и весов в Париже, которая была основана в 1795 году для разработки и внедрения метрической системы единиц. Этот цилиндр был помещен в специальный контейнер, который защищал его от воздействия внешних факторов, таких как температура, влажность, пыль и вибрации. Доступ к нему имели только уполномоченные сотрудники Палаты мер и весов.

Однако с течением времени стало очевидно, что такие физические объекты не могут служить идеальными эталонами, так как их масса и длина могут изменяться под влиянием различных процессов, таких как износ, окисление, загрязнение, перенос и т.д.. Кроме того, такие эталоны не могут быть легко воспроизведены и переданы другим странам и организациям, что затрудняет согласование международных стандартов. Поэтому в 2019 году на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение о переходе на новые эталоны килограмма и метра, основанные на фундаментальных константах природы.

Теперь килограмм определяется не весом цилиндра, а количеством электрической энергии, которое необходимо, чтобы сдвинуть с места объект весом в килограмм. Энергия, в свою очередь, рассчитывается на основе постоянной Планка, которая является квантом действия в квантовой физике. Метр определяется не длиной цилиндра, а расстоянием, которое проходит свет в вакууме за определенное время. Время, в свою очередь, рассчитывается на основе частоты излучения атома цезия-133, которая является основой для определения секунды.

Для измерения килограмма и метра по новым определениям используются специальные приборы, такие как весы Кибле и лазерные интерферометры, которые позволяют достигать высокой точности и воспроизводимости. Эти приборы могут быть размещены в любой лаборатории метрологии и стандартизации, что упрощает сравнение и калибровку средств измерений. Однако для обеспечения единства и надежности системы единиц СИ все еще необходимо иметь эталоны, которые хранятся в безопасных условиях и служат образцами для других приборов.

Читайте также:  Какие месяцы составляют третий квартал 2023 года и другие вопросы о кварталах

Поэтому платино-иридиевые цилиндры, которые ранее служили эталонами килограмма и метра, все еще хранятся в Международном бюро мер и весов и в Палате мер и весов в Париже, но теперь они не имеют юридической силы и используются только для исторических и научных целей. Кроме того, в этих учреждениях хранятся и другие эталоны, такие как эталон кельвина (единица температуры), эталон ампера (единица силы тока) и эталон моля (единица количества вещества), которые также были переопределены в 2019 году на основе фундаментальных констант. Эти эталоны представляют собой сложные устройства, которые требуют специального обслуживания и контроля.

Таким образом, эталоны килограмма и метра в Париже являются свидетелями истории развития науки и технологии, а также символами сотрудничества и согласия между разными странами и организациями в области метрологии и стандартизации. Они также служат резервными копиями для новых эталонов, основанных на фундаментальных константах, которые обеспечивают более точное и универсальное определение килограмма и метра.

Из чего состоит эталон килограмма, хранящийся в Международном бюро мер и весов

Эталон килограмма — это цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм, изготовленный из сплава платины и иридия в пропорции 90:10. Этот сплав был выбран из-за своей высокой плотности, твердости, устойчивости к коррозии и термическому расширению. Эталон килограмма был изготовлен в 1884 году в Лондоне и в 1889 году был признан международным эталоном массы. С тех пор он хранится в специальном сейфе в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа.

Эталон килограмма имеет несколько копий, которые также изготовлены из платино-иридиевого сплава и имеют те же размеры и форму. Копии хранятся в разных странах и периодически сравниваются с эталоном для проверки их согласованности. В таблице ниже приведены некоторые из копий эталона килограмма и их места хранения.

Номер копии Страна Место хранения
K1 США Национальный институт стандартов и технологии
K2 Франция Международное бюро мер и весов
K3 Великобритания Национальная физическая лаборатория
K4 Германия Федеральный институт физико-технических исследований
K5 Россия Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений
K6 Япония Национальный институт передовых промышленных наук и технологий
K7 Канада Национальный исследовательский совет Канады
K8 Италия Национальный институт метрологических исследований
K9 Швейцария Швейцарский федеральный институт метрологии
K10 Австралия Национальная метрологическая лаборатория

Эталон килограмма и его копии являются одними из самых важных и точных эталонов в мире, но они не идеальны. Со временем они подвергаются различным воздействиям, таким как загрязнение, окисление, износ, магнитные поля и температурные колебания, которые могут изменять их массу. Поэтому учёные ищут способы определить килограмм на основе фундаментальных физических констант, таких как постоянная Планка, скорость света или электронный заряд. Это позволит создать универсальный и воспроизводимый способ измерения массы, не зависящий от материальных объектов .

Какие проблемы возникают с эталоном килограмма и как их решают

Эталон килограмма — это металлический цилиндр из платино-иридиевого сплава, который хранится в Международном бюро мер и весов в Париже. Он был изготовлен в 1889 году и с тех пор служит образцом для определения массы всех других объектов. Однако этот эталон имеет ряд проблем, которые требуют его замены на более совершенный способ измерения килограмма.

Одна из проблем — это то, что эталон килограмма не является постоянным. Из-за воздействия окружающей среды, а также износа и коррозии, он может терять или прибавлять в массе. По оценкам ученых, за 129 лет своего существования эталон потерял около 50 микрограмм, что составляет примерно вес ресницы. Это может казаться незначительным, но для науки и технологии, где требуется высокая точность и воспроизводимость измерений, это может иметь серьезные последствия. Например, для расчетов в физике, химии, биологии, медицине, астрономии, а также для стандартизации продуктов и услуг, необходимо иметь единую и надежную меру массы.

Другая проблема — это то, что эталон килограмма является уникальным и недоступным. Он хранится в специальном сейфе в Париже, к которому имеют доступ только три человека. Для проверки массы эталона его нужно периодически доставать из сейфа и сравнивать с копиями, которые распределены по разным странам. Это процесс затратный, трудоемкий и рискованный, так как при транспортировке и контакте с воздухом эталон может изменить свою массу. Кроме того, эталон килограмма может быть утерян, поврежден или украден, что поставит под угрозу всю систему мер и весов.

Для решения этих проблем ученые разработали новый способ определения килограмма, который не зависит от физического объекта, а основан на фундаментальных константах природы. Этот способ называется «баланс Киббла» или «весы Планка». Он заключается в том, что килограмм определяется через постоянную Планка, которая связывает энергию и частоту квантового излучения. Для измерения массы объекта с помощью баланса Киббла нужно подать на него электрический ток такой силы, чтобы он уравновесил силу тяжести. Тогда масса объекта будет равна отношению постоянной Планка к произведению силы тока и скорости света в вакууме.

Преимущества этого способа в том, что он не требует наличия эталона килограмма, а также в том, что он универсален, точен и воспроизводим. Баланс Киббла может быть построен в любой лаборатории, где есть необходимое оборудование и квалифицированный персонал. Также баланс Киббла не подвержен внешним воздействиям, таким как температура, давление, влажность, магнитное поле и т.д. Единственным условием для работы баланса Киббла является точное знание значения постоянной Планка, которое было установлено в 2019 году на основе международных измерений.

В 2018 году на Генеральной конференции по мерам и весам в Версале ученые из 57 стран проголосовали за принятие нового определения килограмма через постоянную Планка. Это решение вступило в силу 20 мая 2019 года, когда отмечался Всемирный день метрологии. С этого дня эталон килограмма в Париже утратил свою роль и стал историческим артефактом. Однако он не будет уничтожен или выброшен, а продолжит храниться в Международном бюро мер и весов как памятник науки и техники.

Источники:

Как измеряют массу объектов с высокой точностью и воспроизводимостью

Измерение массы объектов с высокой точностью и воспроизводимостью является важной задачей в науке, технике и повседневной жизни. Для этого используются различные методы и средства, которые можно разделить на две группы: методы сравнения с мерой и методы, основанные на фундаментальных константах.

Читайте также:  Кошка порода сфинкс: особенности и советы по содержанию

Методы сравнения с мерой заключаются в том, что измеряемую массу сопоставляют с массой эталона или гирь, которые воспроизводят единицу массы в выбранной системе единиц. Такие методы применяются в большинстве случаев, когда требуется измерить массу объектов от микрограмм до тонн. Для этого используются разные типы весов, например:

  • Кухонные весы – простые и доступные весы, которые используются для измерения массы продуктов и ингредиентов при готовке.
  • Аналитические весы – точные и чувствительные весы, которые используются в лабораториях для измерения массы малых объектов с высокой точностью.
  • Платформенные весы – весы большой грузоподъемности, которые используются для измерения массы крупных объектов и грузов.

Методы, основанные на фундаментальных константах, позволяют определить массу объектов без использования эталонов или гирь, а только с помощью измерения других физических величин, связанных с массой по известным законам. Такие методы применяются в ситуациях, когда требуется измерить массу объектов с очень высокой точностью и воспроизводимостью, или когда невозможно или нежелательно использовать методы сравнения с мерой. Например, такие методы используются для измерения массы атомов, молекул и элементарных частиц, а также для реализации нового определения килограмма, основанного на постоянной Планка. Для этого используются разные приборы и установки, например:

  • Масс-спектрометр – прибор, который позволяет определить массу атомов и молекул по их заряду и скорости в электрическом и магнитном полях.
  • Вакуумный баланс Киббла – устройство, которое позволяет определить массу объектов по силе электромагнитного происхождения, которая необходима для уравновешивания их веса в вакууме.
  • Ваттовый баланс – устройство, которое позволяет определить массу объектов по мощности электрического тока, который необходим для их подъема в вертикальном магнитном поле.

Таким образом, для измерения массы объектов с высокой точностью и воспроизводимостью существуют разные методы и средства, которые выбираются в зависимости от целей, условий и требований к измерениям.

Какие существуют альтернативные способы определения килограмма на основе фундаментальных констант

До 2019 года килограмм был единственной основной единицей СИ, которая определялась с помощью материального эталона — международного прототипа килограмма. Однако этот способ имел ряд недостатков, таких как нестабильность массы эталона, сложность его воспроизведения и сравнения с другими образцами, а также ограниченность точности измерений. Поэтому научное сообщество изучило несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма на основе фундаментальных констант, таких как постоянная Планка, постоянная Авогадро или элементарный заряд .

Один из таких подходов — это использование **ваттовой весовой машины** (ВВМ), которая позволяет связать массу с электрической мощностью через постоянную Планка. ВВМ состоит из двух частей: электромеханической, которая создает силу, пропорциональную массе, и электрической, которая измеряет эту силу с помощью тока и напряжения. Сравнивая эти две части, можно определить массу в терминах постоянной Планка и других констант, таких как скорость света и элементарный заряд .

Другой подход — это использование **сферы из кремния-28** (СК-28), которая позволяет связать массу с количеством атомов через постоянную Авогадро. СК-28 — это высокоточно изготовленная сфера диаметром около 94 мм, содержащая почти идеальную кристаллическую решетку из изотопа кремния-28. Измеряя диаметр и плотность сферы, можно рассчитать количество атомов в ней, а затем перевести это в массу через постоянную Авогадро и молярную массу кремния-28 .

Третий подход — это использование **электронного веса** (ЭВ), который позволяет связать массу с элементарным зарядом через постоянную Фарадея. ЭВ состоит из двух частей: ионной, которая генерирует ионный пучок известной зарядовой емкости, и механической, которая измеряет силу, действующую на пучок в магнитном поле. Сравнивая эти две части, можно определить массу в терминах элементарного заряда и других констант, таких как постоянная Фарадея и постоянная Джозефсона .

Все эти подходы имеют свои преимущества и недостатки, такие как сложность реализации, точность измерений, воспроизводимость результатов и согласованность с другими единицами. После длительных исследований и сравнений было принято решение о переопределении килограмма на основе постоянной Планка, так как этот способ обеспечивает наибольшую универсальность, стабильность и точность .

Какие изменения произошли в системе единиц СИ в 2019 году и как они повлияли на эталон килограмма

Система единиц СИ (Международная система единиц) — это универсальный язык науки, техники, промышленности и торговли, который используется во всем мире. Она состоит из семи основных единиц, которые определяют семь основных величин: длину, массу, время, электрический ток, температуру, количество вещества и световую силу. Кроме того, в СИ существуют производные единицы, которые образуются из основных единиц по определенным правилам. Например, единица силы — ньютон — равна произведению единиц массы и ускорения: 1 Н = 1 кг * 1 м/с 2 .

Определения основных единиц СИ не являются постоянными и могут меняться по мере развития науки и технологии. В 2019 году произошли значительные изменения в определениях четырех основных единиц СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля. Эти изменения были приняты на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) в 2018 году и вступили в силу 20 мая 2019 года. Целью этих изменений было сделать определения единиц более точными, устойчивыми и универсальными, а также связать их с фиксированными значениями фундаментальных физических констант.

Одним из самых заметных изменений было новое определение килограмма — единицы массы. До 2019 года килограмм определялся как масса эталонного цилиндра из сплава платины и иридия, который хранится в Международном бюро мер и весов (BIPM) в Париже. Этот цилиндр назывался Международным эталоном килограмма (IPK) и был создан в 1889 году. Он служил в качестве единственного физического образца килограмма в мире и был копирован для других стран. Однако этот способ определения килограмма имел ряд недостатков. Во-первых, масса IPK могла меняться со временем из-за износа, загрязнения, окисления или магнитных эффектов. Во-вторых, IPK был недоступен для большинства пользователей и требовал сложных процедур сравнения с копиями. В-третьих, IPK не был связан с никакими фундаментальными законами природы и не мог быть воспроизведен в любом месте и в любое время.

Новое определение килограмма, принятое в 2019 году, основано на фиксированном значении планковской постоянной — h. Планковская постоянная — это фундаментальная физическая константа, которая связывает энергию кванта излучения с его частотой. Она играет важную роль в квантовой механике и определяет минимально возможную действие в природе. Значение планковской постоянной было зафиксировано на уровне 6,62607015 * 10 -34 Дж*с. С помощью этого значения можно определить килограмм через электрический ток и напряжение, используя устройство, называемое весы Кибле (ранее называвшееся весы Ватта). Весы Кибле — это прибор, который позволяет измерять силу, действующую на проводник с током в магнитном поле. Сила зависит от тока, напряжения, магнитной постоянной и геометрии проводника. Если зафиксировать значение планковской постоянной, то можно выразить массу через ток и напряжение, используя следующую формулу:

Читайте также:  Почему желтеют страницы книг: роль лигинина и способы борьбы с желтизной бумаги

где m — масса, K J — постоянная Джозефсона, определяющая отношение напряжения к частоте в сверхпроводящем переходе, U — напряжение, I — ток, g — ускорение свободного падения.

Преимущества нового определения килограмма заключаются в том, что оно не зависит от физического образца, который может изменяться или потеряться, а основано на универсальной и неизменной константе природы. Кроме того, оно позволяет измерять массу с высокой точностью и воспроизводимостью в любой точке мира, где есть доступ к весам Кибле и стандартам электричества. Также оно обеспечивает лучшую согласованность между единицами СИ, так как связывает килограмм с другими основными единицами, такими как ампер, вольт и ом.

Новое определение килограмма вступило в силу одновременно с новыми определениями ампера, кельвина и моля, которые также были связаны с фиксированными значениями фундаментальных констант: заряда элементарной частицы, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро соответственно. Эти изменения привели к тому, что все основные единицы СИ теперь определяются через семь определяющих констант, которые составляют основу современной физики. Это отражает прогресс науки и технологии и делает систему единиц СИ более гармоничной, унифицированной и адаптивной к будущим открытиям

Как обучаются и проверяются специалисты по метрологии и стандартизации

Метрология и стандартизация — это важные области науки и технологии, которые занимаются измерениями, единством измерений, разработкой и применением стандартов, а также контролем качества продукции и услуг. Специалисты по метрологии и стандартизации должны обладать глубокими знаниями в этих областях, а также уметь работать с различными средствами измерений, нормативными документами и методиками поверки и калибровки.

Для того, чтобы стать специалистом по метрологии и стандартизации, необходимо пройти специальное обучение, которое может быть разного уровня и формата. В зависимости от целей и задач обучения, можно выбрать один из следующих вариантов:

  • Профессиональная переподготовка по метрологии и стандартизации. Этот вариант подходит для тех, кто хочет приобрести новую профессию или расширить свою квалификацию в этой области. Программа обучения составляет 270 академических часов и включает в себя теоретические и практические занятия по основам метрологии, стандартизации и сертификации, метрологическому обеспечению и обеспечению единства измерений, нормоконтролю и метрологической экспертизе технической документации и другим темам. По окончании обучения выдается диплом о профессиональной переподготовке, который позволяет работать в качестве метролога, поверителя, специалиста по стандартизации и сертификации и других профессий, связанных с измерениями и стандартами.
  • Повышение квалификации по метрологии и стандартизации. Этот вариант подходит для тех, кто уже имеет опыт работы в этой области и хочет обновить или углубить свои знания и навыки. Программа обучения может быть разной длительности (от 16 до 72 часов) и включать в себя различные темы, такие как современные требования к метрологическому обеспечению, методы и средства поверки и калибровки средств измерений, новые стандарты и нормативы, международное сотрудничество в области метрологии и стандартизации и другие. По окончании обучения выдается удостоверение о повышении квалификации, которое подтверждает ваш профессионализм и компетентность в этой области.
  • Дистанционное обучение по метрологии и стандартизации. Этот вариант подходит для тех, кто хочет изучать метрологию и стандартизацию в удобном для себя режиме и темпе, не привязываясь к определенному месту и времени. Программа обучения может быть как профессиональной переподготовкой, так и повышением квалификации, в зависимости от выбранного курса. Обучение проходит с использованием современных информационных технологий, таких как интернет-порталы, электронные учебники, видеолекции, тесты, вебинары и другие. По окончании обучения выдается диплом или удостоверение, которые имеют такую же юридическую силу, как и документы, полученные при очном обучении.

Кроме обучения, специалисты по метрологии и стандартизации также должны проходить регулярную проверку своих знаний и навыков, которая называется аттестацией. Аттестация проводится в соответствии с требованиями ГОСТ Р 56069-2014 «Требования к экспертам и специалистам. Поверитель средств измерений. Общие требования»». Цель аттестации — подтвердить соответствие специалиста по метрологии и стандартизации установленным критериям, таким как образование, опыт работы, знание нормативных документов, умение работать с средствами измерений и другие. Аттестация проводится аттестационной комиссией, которая может быть создана в организации, где работает специалист, или во внешней организации, имеющей соответствующее разрешение. Аттестация включает в себя теоретический и практический экзамены, а также проверку документов, подтверждающих квалификацию специалиста. По результатам аттестации выдается свидетельство об аттестации, которое действует в течение определенного срока (обычно 5 лет) и подлежит переаттестации по истечении этого срока.

Таким образом, обучение и аттестация специалистов по метрологии и стандартизации — это необходимые и важные процессы, которые обеспечивают поддержание высокого уровня профессионализма и компетентности в этой области, а также повышение качества и надежности измерений и стандартов.

Роль Палаты мер и весов в развитии науки и технологии

Палата мер и весов играет ключевую роль в обеспечении единства измерений и стандартов в мире. Её функции и влияние на развитие науки и технологии можно выделить следующим образом:

  • Установление и поддержание стандартов: Палата разрабатывает и утверждает стандарты для измерения массы и веса, обеспечивая их единообразное применение по всему миру.
  • Координация международных стандартов: Путем сотрудничества с другими организациями по стандартизации, Палата способствует созданию согласованных и унифицированных подходов к измерениям.
  • Обеспечение точности и надежности измерений: Палата разрабатывает методы калибровки и сертификации, направленные на обеспечение высокой точности и воспроизводимости результатов измерений.
  • Развитие новых технологий: Постоянное совершенствование методов измерений и технологий является важной частью работы Палаты, способствуя развитию новых научных и технических достижений.

Таким образом, Палата мер и весов не только обеспечивает стабильность и надежность в сфере измерений, но и активно влияет на развитие науки и технологии, предоставляя основу для современных и будущих технологических инноваций.

«

Оцените статью
Поделиться с друзьями
sloboda-balaklava.ru