Войти
Реплика прототипа килограмма, выставленная в Cité des Sciences et de l'Industrie, с двойным защитным стеклянным колпаком. Международный прототип килограмма (упоминаемый метрологами как IPK ; иногда называемый ур -килограммой, или уркилограммой, особенно немецкоязычными авторами, пишущими на английском языке) - это объект, который использовался для определения величины массы килограмма с 1889 года, когда он заменил Kilogram des Archives, до 2019 года, когда он был заменен новым определением килограмма на основе физических констант. В то время IPK и его дубликаты использовались для калибровки всех других эталонов массы в килограммах на Земле.
IPK - это объект размером примерно с мяч для гольфа, сделанный из платинового сплава, известного как «Pt ‑ 10Ir», который на 90% состоит из платины и на 10% иридий (по массе) и превращается в прямоугольный цилиндр с высотой, равной его диаметру около 39 миллиметров, чтобы уменьшить его площадь поверхности. Добавление 10% иридия улучшило полностью платиновый килограмм из архивов, значительно увеличив твердость, сохранив при этом многие достоинства платины: исключительную устойчивость к окислению, чрезвычайно высокая плотность (почти в два раза плотнее свинца и более чем в 21 раз плотнее воды ), удовлетворительные электрические и теплопроводность и низкая магнитная восприимчивость. IPK и его шесть родственных копий хранятся в Международном бюро мер и весов (известном своими французскими инициалами BIPM) в экологически безопасном сейфе в нижнем хранилище, расположенном в подвале BIPM. 54>Павильон де Бретей в Сен-Клу на окраине Парижа (фотографии см. Внешние изображения ниже). Для открытия хранилища требуются три независимо управляемых ключа. Официальные копии IPK были предоставлены другим странам в качестве национальных стандартов. Их сравнивали с IPK примерно каждые 40 лет, что обеспечивало прослеживаемость локальных измерений обратно к IPK.
Метрическая конвенция была подписана 20 мая 1875 года и дополнительно формализовала метрическую систему (предшественницу SI ), что быстро привело к производству ИПК. IPK - один из трех цилиндров, изготовленных в 1879 г. компанией Джонсон Матти, которая продолжала производить почти все национальные прототипы по мере необходимости до тех пор, пока новое определение килограмма не вступило в силу в 2020 году. В 1883 г. Было обнаружено, что IPK неотличим от Kilogram des Archives, созданного восемьдесят четыре года назад, и был официально утвержден как килограмм 1-м CGPM в 1889 году.
Национальный прототип килограмма K20, один из двух прототипов, хранящихся в Национальном институте стандартов и технологий США в Гейтерсбурге, Мэриленд, которые служат в качестве основных стандартов для определения всех единиц массы и веса в Соединенных Штатах. Это копия для всеобщего обозрения, показанная в том виде, в котором она обычно хранится, под двумя колпаками. В литературе различные копии IPK имеют следующие обозначения:
До 2019 года по определению ошибка в измеренном значении массы IPK составляла ровно ноль; масса ИПК составляла килограмм. Тем не менее, любые изменения в массе IPK с течением времени можно было определить, сравнив его массу с массой его официальных копий, хранящихся по всему миру, - редко предпринимаемый процесс, называемый «периодической проверкой». Только три проверки произошли в 1889, 1948 и 1989 годах. Например, США владеют пятью эталонами килограммов 90% платины / 10% иридия (Pt ‑ 10Ir), два из которых, K4 и K20, относятся к исходной партии из 40 единиц. реплики доставлены в 1884 году. Прототип K20 был определен как главный национальный эталон массы для США. Оба они, а также из других стран, периодически возвращаются в BIPM для проверки. При транспортировке прототипов проявляется большая осторожность. В 1984 году прототипы К4 и К20 перевозились вручную в пассажирских отсеках отдельных коммерческих авиалайнеров.
Обратите внимание, что ни одна из реплик не имеет массы, точно равной массе IPK; их массы калибруются и документируются как значения смещения. Например, К20, первичный стандарт США, первоначально имел официальную массу 1 кг - 39 мкг (микрограмм) в 1889 году; то есть K20 был на 39 мкг меньше, чем IPK. Проверка, проведенная в 1948 году, показала массу 1 кг - 19 мкг. Последняя проверка, проведенная в 1989 году, показывает, что масса полностью совпадает с первоначальным значением 1889 года. В отличие от таких переходных вариаций, американский стандарт проверки K4 постоянно снижается по массе по сравнению с IPK - и по очевидной причине: стандарты проверки используются гораздо чаще, чем первичные стандарты, и они подвержены царапинам и другому износу. Первоначально K4 поставлялся с официальной массой 1 кг - 75 мкг в 1889 году, но с 1989 года был официально откалиброван на 1 кг - 106 мкг, а десять лет спустя - 1 кг - 116 мкг. За 110 лет K4 потерял 41 мкг по сравнению с IPK.
Массовый дрейф с течением времени национальных прототипов K21 – K40, а также двух родственных копий IPK: K32 и K8 (41). Все массовые изменения относятся к IPK. Начальные смещения начального значения 1889 года относительно IPK были обнулены. Выше все относительные измерения; нет исторических данных измерения массы, чтобы определить, какой из прототипов был наиболее устойчивым по отношению к инварианту природы. Существует явная вероятность того, что все прототипы набрали массу за 100 лет, а K21, K35, K40 и IPK просто получили меньше, чем другие. Помимо простого износа, который может испытывать контрольный образец, масса даже Тщательно хранящиеся национальные прототипы могут дрейфовать относительно IPK по разным причинам, некоторые из которых известны, а некоторые неизвестны. Поскольку ИПК и его аналоги хранятся на воздухе (хотя и под двумя или более вложенными колпаками ), они набирают массу за счет адсорбции атмосферного загрязнения на их поверхности. Соответственно, они очищаются с помощью процесса, разработанного BIPM между 1939 и 1946 годами, известного как «метод очистки BIPM», который включает в себя тщательное протирание замшей, пропитанной в равных частях эфиром и этанол с последующей очисткой паром би- дистиллированной водой и выдержкой прототипов в течение 7–10 дней перед проверкой. До того, как в 1994 году BIPM опубликовал отчет с подробным описанием относительного изменения массы прототипов, различные стандартные кузова использовали разные методы для очистки своих прототипов. До этого NIST практиковал замачивание и промывание двух своих прототипов сначала в бензоле, затем в этаноле, а затем их очистку струей бидистиллированного водяного пара. Очистка прототипов удаляет от 5 до 60 мкг загрязнений в зависимости от времени, прошедшего с момента последней очистки. Кроме того, при второй очистке можно удалить еще до 10 мкг. После очистки - даже когда они хранятся под колпаками - IPK и его копии сразу же снова начинают набирать массу. BIPM даже разработал модель этого прироста и пришел к выводу, что он составлял в среднем 1,11 мкг в месяц в течение первых 3 месяцев после очистки, а затем снизился в среднем до 1 мкг в год после этого. Поскольку контрольные эталоны, такие как K4, не очищаются для рутинных калибровок других эталонов массы - мера предосторожности для сведения к минимуму возможности износа и повреждений при обращении - модель BIPM зависимого от времени набора массы использовалась как поправочный коэффициент «после очистки».
Поскольку первые сорок официальных копий изготовлены из того же сплава, что и IPK, и хранятся в аналогичных условиях, периодические проверки с использованием большого количества реплик, особенно национальных первичных эталонов, которые используются редко, могут убедительно демонстрируют стабильность ИПК. Что стало ясно после третьей периодической проверки, выполненной между 1988 и 1992 годами, так это то, что массы всего мирового ансамбля прототипов медленно, но неумолимо расходились друг с другом. Также очевидно, что IPK потерял, возможно, 50 мкг массы за последнее столетие, а возможно, значительно больше, по сравнению с его официальными копиями. Причина этого отклонения ускользнула от физиков, посвятивших свою карьеру единице массы СИ. Не было предложено ни одного правдоподобного механизма, объясняющего неуклонное уменьшение массы IPK или увеличение массы его копий, разбросанных по всему миру. Более того, отсутствуют технические средства, позволяющие определить, страдает ли весь мировой ансамбль прототипов еще более сильные долгосрочные тенденции к росту или снижению, поскольку их масса «относительно инварианта природы неизвестна на уровне ниже 1000 мкг в течение период 100 или даже 50 лет ». Учитывая отсутствие данных, позволяющих определить, какой из мировых прототипов в килограммах был наиболее стабильным в абсолютном выражении, в равной степени справедливо заявить, что первая партия реплик, как группа, набрала в среднем около 25 мкг за сто лет в сравнение с IPK.
Что конкретно известно об IPK, так это то, что он демонстрирует кратковременную нестабильность около 30 мкг в течение периода около месяца в своей массе после очистки. Точная причина этой кратковременной нестабильности не выяснена, но считается, что она связана с поверхностными эффектами: микроскопические различия между полированными поверхностями прототипов, возможно, усугубленные поглощением водорода из-за катализа летучие органические соединения, которые медленно осаждаются на прототипах, а также углеводородные растворители, используемые для их очистки.
Многие объяснения можно было исключить наблюдаемых расхождений в массах мировых прототипов, предложенных учеными и широкой публикой. Например, в часто задаваемых вопросах BIPM объясняется, что расхождение зависит от количества времени, прошедшего между измерениями, и не зависит от того, сколько раз прототип или его копии были очищены или возможных изменений силы тяжести или окружающей среды. Отчеты, опубликованные в 2013 году Питером Кампсоном из Университета Ньюкасла на основе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии образцов, которые хранились вместе с различными килограммами прототипов, предполагают, что один источник расхождения между различными прототипами можно проследить до ртути, которая была поглощена прототипами, находящимися рядом с приборами на основе ртути. IPK хранился в пределах сантиметров от ртутного термометра, по крайней мере, еще с конца 1980-х годов. В этой работе Университета Ньюкасла было обнаружено, что шесть платиновых гирь, изготовленных в девятнадцатом веке, содержали ртуть на поверхности, наиболее загрязненная из которых имела эквивалент 250 мкг ртути в пересчете на площадь поверхности килограммового прототипа.
Растущее расхождение в массах мировых прототипов и краткосрочная нестабильность в IPK побудили исследовать улучшенные методы получения гладкой поверхности с использованием алмазного точения на вновь изготовленных копиях и была одной из причин, которые привели к переопределению килограмма.
До мая 2019 года величина многих единиц, составляющих систему измерения СИ, включая большинство Из тех, которые использовались для измерения электричества и света, сильно зависели от устойчивости 141-летнего металлического цилиндра размером с мяч для гольфа, хранящегося в хранилище во Франции. Стабильность IPK имела решающее значение. потому что килограмм лежал в основе большей части системы измерения СИ, как она была определена и структурирована до 2019 года. Например, ньютон определяется как сила, необходимая для ускорения одного килограмма со скоростью один метр в секунду в квадрате. Если масса IPK изменится незначительно, то пропорционально изменится и ньютон. В свою очередь, паскаль, единица СИ для давления, определяется в ньютонах. Эта цепочка зависимости соответствует многим другим единицам измерения СИ. Например, джоуль, единица СИ для энергии, определяется как энергия, затрачиваемая, когда сила в один ньютон действует на один метр. Далее будет затронута единица СИ мощности, ватт, что составляет один джоуль в секунду.
До мая 2019 года ампер также определялся относительно ньютона. С величиной первичных единиц электричества, определяемой таким образом килограммом, последовали многие другие, а именно кулон, вольт, тесла и . Вебер. Это повлияет даже на единицы измерения света; кандела - после изменения ватта - в свою очередь повлияет на люмен и люкс.
, поскольку величина многих единиц, составляющих систему измерения СИ до 2019 года определялся его массой, качество IPK тщательно защищалось для сохранения целостности системы SI. Однако средняя масса мирового ансамбля прототипов и масса IPK, вероятно, разошлись еще на 7,4 мкг с момента третьей периодической проверки 31 год назад. Кроме того, национальные метрологические лаборатории мира должны дождаться четвертой периодической проверки, чтобы подтвердить, сохранились ли исторические тенденции.
К счастью, определения единиц СИ сильно отличаются от их практических реализаций. Например, метр определяется как расстояние, которое свет проходит в вакууме за интервал времени ⁄ 299 792 458 секунды. Однако практическая реализация метра обычно принимает форму гелий-неонового лазера, а длина метра обозначена (не определена) как 1579800,298728 длин волн света от этого лазера. Теперь предположим, что официальное измерение секунды изменилось на несколько частей на миллиард (на самом деле оно чрезвычайно стабильно с воспроизводимостью нескольких частей из 10). Не будет никакого автоматического воздействия на счетчик, потому что секунда - и, следовательно, длина метра - абстрагируется с помощью лазера, составляющего практическую реализацию метра. Ученые, выполняющие калибровку измерителей, просто продолжали бы измерять то же количество длин волн лазера, пока не было достигнуто соглашение об обратном. То же самое верно и в отношении реальной зависимости от килограмма: если бы масса IPK изменилась незначительно, не было бы автоматического воздействия на другие единицы измерения, поскольку их практическая реализация обеспечивает изолирующий слой абстракция. Однако любое несоответствие в конечном итоге должно быть устранено, потому что достоинством системы СИ является ее точная математическая и логическая гармония между ее единицами. Если бы было окончательно доказано, что значение IPK изменилось, одним из решений было бы просто переопределить килограмм как равный массе IPK плюс значение смещения, аналогично тому, что ранее было сделано с его репликами; например, «килограмм равен массе IPK + 42 частей на миллиард » (эквивалент 42 мкг).
Долгосрочное решение этой проблемы, однако, заключалось в освобождении системы SI от IPK путем разработки практической реализации килограмма, который может быть воспроизведен в различных лабораториях при соблюдении письменной спецификации. Величины единиц измерения в такой практической реализации будут точно определены и выражены в терминах фундаментальных физических констант. В то время как основные части системы СИ по-прежнему основаны на килограммах, килограмм теперь, в свою очередь, основан на неизменных универсальных константах природы.
| Внешние изображения | |
|---|---|
 BIPM: IPK в трех вложенных колпаках | |
| NIST: K20, килограмм национального прототипа США, покоящийся на люминесцентной световой панели ящика для яиц | |
| BIPM: Очистка паром прототипа весом 1 кг перед массовым сравнением | |
| BIPM: IPK и его шесть сестер копии в своем хранилище | |
| NIST: Эти конкретные Rueprecht Balance, прецизионные весы австрийского производства, использовались NIST с 1945 по 1960 гг. | |
| BIPM: Изгиб FB ‑ 2- полосовые весы, современные прецизионные весы BIPM со стандартным отклонением в одну десятимиллиардную килограмма (0,1 мкг) | |
| BIPM: Весы Mettler HK1000 с разрешением 1 мкг и весом 4 кг. максимальная масса. Также используется лабораторией первичных стандартов NIST и Sandia National Laboratories. |
