Войти
научное сообщество изучило несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма до принятия решения о переопределении базовых единиц СИ в ноябре 2018 года. Каждый подход имел свои преимущества и недостатки.
До нового определения килограмм и несколько других единиц СИ, основанных на килограмме, определялись искусственным металлическим артефактом, названным международным прототип килограмма. Было широкое согласие с тем, что следует заменить старое определение килограмма.
Система СИ после переопределения 2019 года: килограмм теперь фиксируется в единицах секунды, метра и постоянной Планка Международный комитет мер и весов (CIPM) одобрил новое определение основных единиц СИ в ноябре 2018 года, которое определяет килограмм, определяя постоянную Планка равной точно 6,62607015 × 10 кг⋅м⋅с. Этот подход эффективно определяет килограмм в единицах секунды и метра и вступил в силу 20 мая 2019 года.
В 1960 году счетчик, ранее аналогично определявшийся со ссылкой на одиночный платино-иридиевый слиток с двумя отметками на нем был переопределен в терминах инвариантной физической константы (длина волны конкретного излучения света, излучаемого криптоном, а позже скорость света ), чтобы стандарт можно было независимо воспроизвести в разных лабораториях, следуя письменной спецификации.
На 94-м заседании Международного комитета по мерам и весам (CIPM) в 2005 г. было рекомендовано сделать то же самое с килограммом.
В октябре 2010, CIPM проголосовал за представление резолюции на рассмотрение Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM), чтобы «принять к сведению намерение» определить килограмм в терминах Планка. постоянная, h (которая имеет размерность энергии, умноженной на время) вместе с другими физическими константами. Эта резолюция была принята 24-й конференцией CGPM в октябре 2011 г. и дополнительно обсуждена на 25-й конференции в 2014 г. Хотя Комитет признал, что был достигнут значительный прогресс, они пришли к выводу, что данные еще не выглядят достаточно надежными для принятия пересмотренной определение, и эта работа должна продолжаться, чтобы позволить принять его на 26-м заседании, запланированном на 2018. Такое определение теоретически позволит использовать любой прибор, способный определять килограмм с помощью постоянной Планка, пока он обладает достаточным точность, аккуратность и стабильность. Весы Kibble - это один из способов сделать это.
В рамках этого проекта в течение многих лет рассматривались и исследовались самые разные технологии и подходы. Некоторые из этих подходов были основаны на оборудовании и процедурах, которые позволили бы воспроизводимое производство новых прототипов килограммовой массы по запросу с использованием методов измерения и свойств материалов, которые в конечном итоге основаны на физических константах или прослеживаются к ним. Другие были основаны на устройствах, которые измеряли либо ускорение, либо вес настроенных вручную килограммовых контрольных масс и выражали их величины в электрических терминах с помощью специальных компонентов, которые позволяют прослеживать физические константы. Такие подходы зависят от преобразования измерения веса в массу и, следовательно, требуют точного измерения силы силы тяжести в лабораториях. Все подходы точно фиксировали бы одну или несколько констант природы на определенном значении.
Киббл-весы NIST - это проект правительства США по разработке " электронный килограмм ». Купол вакуумной камеры, который опускается над всем аппаратом, виден сверху. Весы Киббла (до 2016 года известные как «ваттные весы»), по сути, являются одинарными весы, которые измеряют электрическую мощность, необходимую для противодействия весу килограммовой испытательной массы, когда ее тянет земная гравитация. Это вариант баланса ампер с дополнительным шагом калибровки, который устраняет влияние геометрии. электрический потенциал в весах Киббла определяется стандартом напряжения Джозефсона, который позволяет связать напряжение с неизменной постоянной природы с чрезвычайно высокой точностью и стабильностью. Его цепь сопротивление откалибровано по квантовому эффекту Холла эталон сопротивления.
Весы Киббла требуют чрезвычайно точного измерения местного ускорения свободного падения g в лаборатории с использованием гравиметр. Например, когда высота центра гравиметра отличается от возвышения ближайшей испытательной массы на весах Киббла, NIST компенсирует градиент силы тяжести Земли 309 мкГал на метр, что влияет на вес одного -килограмм испытательной массы примерно на 316 мкг / м.
В апреле 2007 года реализация весов Киббла в NIST продемонстрировала комбинированную относительную стандартную неопределенность (CRSU) 36 мкг. Весы Kibble Национальной физической лаборатории Великобритании продемонстрировали CRSU 70,3 мкг в 2007 году. Эти весы Kibble были разобраны и отправлены в 2009 году в Канадский институт национальных стандартов измерения (часть Национального исследовательского совета ), где можно было бы продолжить исследования и разработки устройства.
Локальное ускорение свободного падения g измеряется с исключительной точностью с помощью лазерного интерферометра. Рисунок лазера из интерференционных полос - темных и светлых полос наверху - расцветает все быстрее, когда свободно падающий угловой отражатель падает внутри абсолютного гравиметра. Частота развертки шаблона измеряется атомными часами. Гравитация и характер баланса Киббла, который колеблют испытательные массы вверх и вниз против местного гравитационного ускорения g, используются таким образом, что механическая мощность сравнивается с электрической мощностью, которая квадрат напряжения, деленный на электрическое сопротивление. Однако g значительно варьируется - почти на 1% - в зависимости от того, где на поверхности Земли производится измерение (см. земная гравитация ). Также наблюдаются небольшие сезонные колебания g из-за изменений уровня грунтовых вод, а также более крупные полумесячные и суточные изменения из-за приливных искажений формы Земли, вызванных Луной и Солнцем. Хотя g не будет термином в определении килограмма, он будет иметь решающее значение в процессе измерения килограмма при соотнесении энергии с мощностью. Соответственно, g должен быть измерен по крайней мере с такой же точностью и точностью, как и другие члены, поэтому измерения g также должны быть прослежены до фундаментальных констант природы. Для наиболее точной работы в метрологии массы g измеряется с помощью абсолютных гравиметров падающей массы, которые содержат стабилизированный йодом гелий-неоновый лазер интерферометр. Выходной сигнал интерференционного сигнала, развертки частоты интерферометра измеряется с помощью атомных часов рубидия . Поскольку этот тип гравиметра с падающей массой получает свою точность и стабильность благодаря постоянству скорости света, а также врожденным свойствам атомов гелия, неона и рубидия, термин `` гравитация '' при описании полностью электронного килограмма также измеряется в инвариантах природы - и с очень высокой точностью. Например, в подвале лаборатории NIST в Гейтерсбурге в 2009 году при измерении силы тяжести, действующей на тестовые массы Pt ‑ 10Ir (которые более плотны, меньше и имеют немного более низкий центр тяжести внутри весов Kibble, чем массы из нержавеющей стали), измеренное значение обычно находилось в пределах 8 частей на миллиард 9,80 · 101644 м / с.
Достоинство электронных реализаций, таких как весы Kibble, состоит в том, что определение и распространение килограмма больше не зависит от стабильности килограммовых прототипов, которые должны следует очень осторожно обращаться и хранить. Это освобождает физиков от необходимости полагаться на предположения о стабильности этих прототипов. Вместо этого настраиваемые вручную эталоны массы с точным приближением можно просто взвесить и задокументировать как равные одному килограмму плюс значение смещения. В весах Kibble килограмм определяется в электрических и гравитационных терминах, и все это связано с инвариантами природы; он определяется способом, который напрямую прослеживается до трех фундаментальных констант природы. Постоянная Планка определяет килограмм через секунды и метр. При фиксировании постоянной Планка определение килограмма зависит, кроме того, только от определения секунды и метра. Определение второго зависит от единственной определенной физической константы: частоты сверхтонкого расщепления в основном состоянии атома цезия-133 Δν (Cs) hfs. Счетчик зависит от секунды и от дополнительной определенной физической постоянной: скорости света c. При таком переопределении килограмма физические объекты, такие как IPK, больше не являются частью определения, а вместо этого становятся стандартами передачи.
Весы, подобные весам Киббла, также позволяют более гибко выбирать материалы с особенно желательными свойствами для эталонов массы. Например, Pt ‑ 10Ir можно продолжать использовать, чтобы удельный вес вновь произведенных эталонов массы был таким же, как у существующих национальных первичных и контрольных эталонов (≈21,55 г / мл). Это уменьшило бы относительную неопределенность при выполнении сравнения масс в воздухе. В качестве альтернативы можно исследовать совершенно другие материалы и конструкции с целью создания массовых эталонов с большей стабильностью. Например, сплавы осмий -иридий могут быть исследованы, если окажется, что склонность платины поглощать водород (из-за катализа ЛОС и чистящих растворителей на основе углеводородов) и атмосферная ртуть являются источниками нестабильности.. Кроме того, осажденные из паровой фазы защитные керамические покрытия, такие как нитриды, могут быть исследованы на предмет их пригодности для химической изоляции этих новых сплавов.
Проблема с весами Kibble не только в уменьшении их неопределенности, но и в том, чтобы сделать их действительно практическими реализациями килограмма. Почти каждый аспект весов Kibble и их вспомогательного оборудования требует такой чрезвычайно точной и точной современной технологии, что - в отличие от такого устройства, как атомные часы - немногие страны в настоящее время предпочитают финансировать свою работу. Например, в 2007 году весы Kibble NIST использовали четыре стандарта сопротивления, каждый из которых проверялся на весах Kibble каждые две-шесть недель после калибровки в другой части штаб-квартиры NIST в Гейтерсбурге., Мэриленд. Было обнаружено, что простое перемещение эталонов сопротивления по коридору к весам Киббла после калибровки изменяет их значения на 10 ppb (эквивалент 10 мкг) или более. Современных технологий недостаточно, чтобы обеспечить стабильную работу весов Kibble даже между двухгодичными калибровками. Когда новое определение вступит в силу, вероятно, что в мире будет работать всего несколько - самое большее - весов Kibble.
Несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма, которые принципиально отличались от весов Киббла, были исследованы в разной степени, но от некоторых отказались. В частности, проект Авогадро был важен для решения о переопределении в 2018 году, поскольку он обеспечивал точное измерение постоянной Планка, которое согласовывалось с методом баланса Киббла и не зависело от него. В число альтернативных подходов входили:
Ахим Лейстнер в (ACPO) содержит монокристаллический кремниевый шар весом 1 кг для проекта Авогадро.. Среди самых круглых искусственных объектов в мире сфера, масштабируемая до размеров Земли, будет иметь высшую точку всего на 2,4 метра над «уровнем моря». Другой подход, основанный на постоянных Авогадро, известный как Проект Avogadro International Avogadro Coordination определит и очертил килограмм как сферу диаметром 93,6 мм из атомов кремния. Кремний был выбран потому, что уже существует коммерческая инфраструктура с зрелой технологией для создания бездефектного сверхчистого монокристаллического кремния, процесс Чохральского, для обслуживания полупроводников промышленность.
Для практической реализации килограмма должна быть произведена кремниевая буля (стержневой монокристаллический слиток). Его изотопный состав должен быть измерен с помощью масс-спектрометра для определения его средней относительной атомной массы. Були нарезали, шлифовали и шлифовали на сферы. Размер выбранной сферы можно было бы измерить с помощью оптической интерферометрии с погрешностью около 0,3 нм по радиусу - это примерно один атомный слой. Точный интервал решетки между атомами в его кристаллической структуре (≈ 192 пм) можно было бы измерить с помощью сканирующего рентгеновского интерферометра . Это позволяет определить его атомный интервал с погрешностью всего три части на миллиард. Зная размер сферы, ее среднюю атомную массу и межатомное расстояние, требуемый диаметр сферы может быть рассчитан с достаточной точностью и низкой погрешностью, чтобы можно было окончательно отполировать ее до целевой массы в один килограмм.
На кремниевых сферах проекта Авогадро проводятся эксперименты, чтобы определить, являются ли их массы наиболее стабильными при хранении в вакууме, частичном вакууме или атмосферном давлении. Однако в настоящее время не существует технических средств для подтверждения долговременной стабильности лучше, чем у IPK, потому что наиболее чувствительные и точные измерения массы выполняются с помощью двухпозиционных весов как и балансирные весы FB ‑ 2 BIPM (см. § Внешние ссылки ниже). Весы могут сравнивать только массу кремниевой сферы с массой контрольной массы. Учитывая последнее понимание отсутствия долгосрочной стабильности массы с IPK и его репликами, не существует известного, совершенно стабильного артефакта массы, с которым можно было бы сравнивать. Однорычажные весы, которые измеряют вес относительно инварианта природы, неточны до необходимой долговременной неопределенности 10–20 частей на миллиард. Еще одна проблема, которую необходимо решить, заключается в том, что кремний окисляется и образует тонкий слой (эквивалентный глубине 5–20 атомов кремния) из диоксида кремния (кварц ) и моноксида кремния. Этот слой немного увеличивает массу сферы, эффект, который необходимо учитывать при полировке сферы до конечного размера. Окисление не является проблемой для платины и иридия, оба из которых являются благородными металлами, которые примерно так же катодны, как кислород, и поэтому не окисляются, если их не уговорить сделать это в лаборатории. Наличие тонкого оксидного слоя на прототипе кремниевой сферы накладывает дополнительные ограничения на процедуры, которые могут быть подходящими для его очистки, чтобы избежать изменения толщины слоя или стехиометрии оксида стехиометрии.
Все подходы на основе кремния могут исправить Авогадро постоянный, но различаются детали определения килограмма. Один из подходов предполагает использование кремния со всеми тремя его естественными изотопами. Около 7,78% кремния составляют два более тяжелых изотопа: Si и Si. Как описано в § Углерод-12 ниже, этот метод определяет величину килограмма в единицах определенного количества атомов углерода, фиксируя постоянную Авогадро; кремниевый шар был бы практической реализацией. Этот подход может точно определить величину килограмма, поскольку массы трех кремниевых нуклидов относительно C известны с большой точностью (относительная погрешность 1 ppb или лучше). Альтернативный метод создания килограмма кремниевой сферы на основе сферы предлагает использовать методы разделения изотопов для обогащения кремния до почти чистого Si, который имеет относительную атомную массу 27,9769265325 (19). При таком подходе фиксировалась бы не только постоянная Авогадро, но и атомная масса Si. Таким образом, определение килограмма было бы отделено от C, и вместо этого килограмм был бы определен как 1000 / 27,9769265325 6,02214179 × 10 атомов Si (≈ 35,74374043 фиксированных молей атомов Si). Физики могут определить килограмм через Si, даже если килограммовые прототипы сделаны из природного кремния (присутствуют все три изотопа). Даже с определением килограмма, основанным на теоретически чистом Si, прототип кремниевой сферы, изготовленный только из почти чистого Si, обязательно будет немного отклоняться от определенного количества молей кремния, чтобы компенсировать различные химические и изотопные примеси, а также влияние поверхностных оксидов..
Хотя это определение не предлагает практического воплощения, оно точно определяет величину килограмма с точки зрения определенного числа атомов углерода-12. Углерод ‑ 12 (C) представляет собой изотоп углерода. моль в настоящее время определяется как «количество объектов (элементарных частиц, таких как атомы или молекулы), равное количеству атомов в 12 граммах углерода-12». Таким образом, текущее определение моля требует, чтобы 1000/12 моль (83 + 1/3 моль) C имели массу ровно один килограмм. Число атомов в моль, величина, известная как постоянная Авогадро, определяется экспериментально, и текущая наилучшая оценка ее значения составляет 6,02214076 × 10 единиц на моль. Это новое определение килограмма предлагало зафиксировать постоянную Авогадро на уровне 6,02214X × 10 моль, при этом килограмм определялся как «масса, равная массе 1000/12 ⋅ 6,02214X × 10 атомов углерода».
Точность измеренного значения постоянной Авогадро в настоящее время ограничена неопределенностью значения постоянной Планка. Эта относительная стандартная погрешность составляет 50 частей на миллиард (частей на миллиард) с 2006 года. Установив постоянную Авогадро, практический эффект этого предложения будет заключаться в том, что погрешность в массе атома углерода и величине килограмма может быть уменьшена. не лучше, чем текущая неопределенность постоянной Планка в 50 частей на миллиард. В соответствии с этим предложением величина килограмма будет уточняться в будущем по мере того, как станут доступны улучшенные измерения значения постоянной Планка; электронные реализации килограмма будут перекалиброваны по мере необходимости. И наоборот, электронное определение килограмма (см. § Электронные подходы ниже), которое точно фиксировало бы постоянную Планка, по-прежнему позволяло бы 83 + 1/3 моля C иметь массу точно равную единице. килограмм, но количество атомов, составляющих моль (постоянная Авогадро), будет по-прежнему уточняться.
Вариант определения на основе C предлагает определить постоянную Авогадро как равную 84446889 (≈ 6,02214162 × 10) атомов. Воображаемая реализация прототипа массой 12 грамм могла бы быть кубом из атомов углерода, имеющим ровно 84446889 атомов в поперечнике. В соответствии с этим предложением килограмм будет определяться как «масса, равная 84446889 × 83 + 1/3 атомов углерода»
Другой подход, основанный на Авогадро, Ион, так как от него отказались, можно было бы определить и обозначить килограмм, точно создавая новые металлические прототипы по запросу. Это было бы сделано путем накопления ионов золота или висмута (атомы, лишенные электрона) и их подсчета путем измерения электрического тока, необходимого для нейтрализации ионов. Золото (Au) и висмут (Bi) были выбраны потому, что с ними можно безопасно обращаться и они имеют две самые высокие атомные массы среди мононуклидных элементов, которые являются стабильными (золото) или фактически таковыми ( висмут). См. Также Таблица нуклидов.
С помощью определения килограмма на основе золота, например, относительная атомная масса золота могла бы быть установлена точно как 196,9665687 по сравнению с текущим значением 196,9665687 (6). Как и в случае определения, основанного на углероде-12, постоянная Авогадро также была бы фиксированной. Тогда килограмм был бы определен как «масса, равная массе точно 1000 / 196,9665687 ⋅ 6,02214179 × 10 атомов золота» (точно 3,057,443,620,887,933,963,384,315 атомов золота или примерно 5,07700371 фиксированных моль).
В 2003 году немецкие эксперименты с золотом при токе всего 10 мкА продемонстрировали относительную погрешность 1,5%. Ожидается, что в последующих экспериментах с ионами висмута и током 30 мА за шесть дней будет накоплена масса 30 г, а относительная погрешность будет лучше 1 ppm. В конечном итоге подходы с накоплением ионов оказались непригодными. На измерения потребовались месяцы, и данные оказались слишком нестабильными, чтобы этот метод можно было рассматривать в качестве жизнеспособной будущей замены IPK.
Среди многих технических проблем устройства ионного осаждения было получение достаточно высокого ионного тока (массовое осаждение скорость), одновременно замедляя ионы, чтобы все они могли осесть на целевой электрод, встроенный в чашу весов. Эксперименты с золотом показали, что ионы должны быть замедлены до очень низких энергий, чтобы избежать эффектов распыления - явления, при котором ионы, которые уже были подсчитаны, отрикошетили от электрода-мишени или даже смещенных атомов, которые уже были осаждены. Осажденная массовая доля в немецких экспериментах 2003 г. приближалась к 100% только при энергии ионов менее 1 eV (< 1 km/s for gold).
. Если бы килограмм определялся как точное количество атомов золота или висмута, осажденных электрическим током, не только если бы постоянная Авогадро и атомная масса золота или висмута были точно фиксированы, но также и значение элементарного заряда (e), вероятно, равное 1,60217X × 10 C (от текущего рекомендуемого значения 1,602176634 × 10 C). Это фактически определило бы ампер как поток 1 / 1,60217X × 10 электронов в секунду, проходящий через фиксированную точку в электрической цепи. Единицу массы в системе СИ можно было бы полностью определить, точно зафиксировав значения постоянной Авогадро и элементарного заряда и используя тот факт, что атомные массы висмута и атомов золота являются инвариантными универсальными константами природы.
Помимо медленности создания нового эталона массы и плохой воспроизводимости, у подхода с накоплением ионов были и другие существенные недостатки, которые оказались серьезным препятствием для практической реализации методов, основанных на накоплении ионов. Устройство обязательно требовало, чтобы камера осаждения имела встроенную систему баланса, чтобы обеспечить удобную калибровку разумного количества стандартов переноса по сравнению с любым прототипом с внутренним осаждением ионов. Более того, массовые прототипы, произведенные методами ионного осаждения, не могли бы быть ничем иным, как отдельно стоящие платино-иридиевые прототипы, используемые в настоящее время; они были бы нанесены на электрод и стали частью электрода, помещенного в одну чашу специальных весов, встроенных в устройство. Более того, масса, осажденная ионами, не имела бы твердой, хорошо отполированной поверхности, которую можно было бы энергично очистить, как у нынешних прототипов. Золото, несмотря на то, что оно плотное и благородный металл (устойчивое к окислению и образованию других соединений), чрезвычайно мягкое, поэтому внутренний образец золота должен быть хорошо изолирован и тщательно очищен, чтобы избежать загрязнения и потенциальной опасности. износа от необходимости удалять загрязнения. Висмут, который является недорогим металлом, используемым в низкотемпературных припоях, медленно окисляется при контакте с воздухом комнатной температуры и образует другие химические соединения, и поэтому не мог бы давать стабильные эталонные массы, если бы он не находился постоянно в вакууме или инертной атмосфере.
Магнит, плавающий над сверхпроводником, погруженным в жидкий азот, демонстрирует идеальную диамагнитную левитацию посредством эффекта Мейснера. Эксперименты с определением килограмма на основе ампер перевернули эту схему с ног на голову: электрическое поле ускоряет сверхпроводящую тестовую массу, поддерживаемую фиксированными магнитами. В этом подходе килограмм определяется как «масса, которая будет ускорена точно на 2 × 10 м / с при воздействии на метр силы между двумя прямыми параллельными проводниками бесконечной длины с ничтожно малым круглым поперечным сечением, помещенными на расстоянии одного метра в вакууме, через которые протекает постоянный ток 1 / 1,60217 × 10 ^ элементарных зарядов в секунду".
Фактически, это определило бы килограмм как производную от ампера, а не как текущее соотношение, которое определяет ампер как производную от килограмма. Это переопределение килограмма будет определять элементарный заряд (е) как точно 1,60217 × 10 ^ кулон, а не текущее рекомендуемое значение 1,602176634 × 10 C. Из этого следует, что ампер (один кулон в секунду) также стал бы электрическим током с точным количеством элементарных зарядов в секунду, проходящим через заданную точку в электрической цепи. Преимущество практической реализации, основанной на этом определении, заключается в том, что в отличие от весов Киббла и других основанных на шкале методов, каждый из которых требует тщательного определения характеристик силы тяжести в лаборатории, этот метод определяет величину килограмма непосредственно в тех самых терминах, которые определить природу массы: ускорение за счет приложенной силы. К сожалению, разработать практическую реализацию, основанную на ускорении масс, крайне сложно. Эксперименты, проводившиеся в течение нескольких лет в Японии со сверхпроводящей массой массой 30 г, поддерживаемой диамагнитной левитацией, никогда не достигли погрешности выше десяти частей на миллион. Магнитный гистерезис был одной из ограничивающих проблем. Другие группы провели аналогичные исследования, в которых использовались разные техники для левитации массы.
