Нині скасували еталонний кілограм і прив’язали одиницю маси до сталої Планка

Учасники XXVI Генеральної конференції з мір та ваг, що проходить в Парижі, прийняли історичне рішення про перевизначення чотирьох із семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ) — кілограма, ампера, кельвіна і моля. Нові визначення стануть чинними 20 травня 2019 року. З цього моменту всі одиниці системи СІ будуть прив’язані до фундаментальних фізичних констант.

До сих пір вже 129 років кілограм був «одиницею маси, що дорівнює масі міжнародного прототипу» (якщо точніше, то » прототипу після миття і чищення») — рукотворного артефакту, 39-міліметрового циліндру із сплаву платини та іридію, який зберігається у французькому місті Севр. Результати декількох міжнародних звірянь національних копій, виготовлених з того ж матеріалу, показали що їх маси змінюються щодо головного еталону в діапазоні ±50 мікрограм (±5×10⁻⁸) 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.

В 2011 році Міжнародний комітет мір і ваг на XXIV Генеральній конференції погодився, що було би краще одиницю маси визначати через сталу Планка hосновну константу квантової теорії, коефіцієнт, що пов’язує величину енергії кванта електромагнітного випромінювання з частотою; тобто цифрове значення сталої зафіксувати (6.62607015×10⁻³⁴Дж⋅с) і надалі його використовувати для визначення кілограма через знамениту Айнштайнову формулу E=mc².

Прилад, за допомогою якого можна реалізувати новий еталон маси, називається Ватові терези (або ваги Кіббла). Назва походить від одиниці вимірювання потужності вата, оскільки вимірювана маса пропорційна потужності електричного струму, який компенсує вагу тіла; ідею такого вимірювання запропонував 1975 року британський науковець Б. П. Кіббл.  В 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. Константа Планка «ховається» в рівняннях, що описують роботу електричної частини установки. Власне цей прилад раніше використовувався для уточнення константи Планка, тепер він буде працювати «навпаки».

Отже, згідно з новим визначенням кілограм є комбінацією трьох констант природи: сталої Планка, частоти випромінювання цезію-133 і швидкості світла у вакуумі.

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

Нинішнє рішення завершує реформу, що тривала кілька десятків років: ще в 1983 році метр був прив’язаний до значення швидкості світла у вакуумі (значення було зафіксовано як 299 792 458 м/c і, очевидно, припинено 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.

Конференція також затвердила нове визначення ампера. Колишнє визначення, затверджене в 1948 році, було засноване на вимірюванні сили, що діє 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 ¹⁷O 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 постійній Больцмана, яка тепер буде точно дорівнює 1,380649 × 10⁻²³ Дж/K (джоулів 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.

16.11.2018
Дякуємо: zbruc.eu

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан. Обязательные для заполнения поля помечены *

*