Килогра́мм (обозначение: кг, kg) - единица измерения массы, одна из основных единиц СИ [система единиц/измерений].
На данный момент килограмм - единственная единица СИ, которая определена при помощи предмета, изготовленного людьми. Все остальные единицы теперь определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов.
Эталон был изготовлен в 1889 г. и с тех пор хранится в Международном бюро мер и весов
*
(расположено в г. Севр близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39.17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Хранится он под тремя герметичными стеклянными колпаками. Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4°C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
Были изготовлены также точные официальные копии международного эталона, которые используются как национальные эталоны килограмма. Всего было создано более 80 копий. Копии международного эталона хранятся также и в Российской Федерации, во ВНИИ метрологии им. Менделеева . Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам за сто лет международный эталон теряет 3х10 −8 своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.
Для устранения этих неточностей в настоящее время рассматриваются различные варианты переопределения килограмма на основе фундаментальных физических законов.
Также с 2003 года международная группа исследователей из 8 стран, в том числе из Германии, Австралии, Италии и Японии, под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) ведет работы по переопределению килограмма как массы определённого числа атомов изотопа кремния-28. Второй проект, под названием «Электронный килограмм» начат в 2005 г. в (NIST). Руководитель данного проекта Ричард Стайнер утверждает, что над созданием «электронного килограмма» он работает более десяти лет. Учёные под руководством доктора Стайнера создали прибор, который измеряет мощность, необходимую для генерации электромагнитного поля, с помощью которого можно поднять один килограмм массы. С его помощью учёным удалось определить массу в один килограмм с точностью до 99,999995 %, пишут на Википедии .
Ученые приближаются к нефизическому описанию килограмма после открытия того, что металлический эталон, используемый в качестве международного стандарта начал по непонятным причинам терять вес.
Исследователи говорят, что им еще предстоит пройти определенный путь, прежде чем определение будет дано, но в случае успеха это привело бы к принятию нового международного стандарта, используемого для определения килограмма.
Ученые говорят, что именно описание килограмма столь важно, так как он является основной физической единицей весов, от которой все остальные уже вычисляются как производные. Сейчас эквивалент килограмма - это металлический брусок, весом около 2,2 британских фунтов [...] .
Однако в 2007 году было установлено, что эталон начал терять вес, в частности ученые определили, что килограммовый брусок стал весить на 50 микрограмм меньше, нескольких десятков точных копий. То есть, можно сказать, что эталон потерял вес, сопоставимый с весом песчинки. В связи с этим, физики предполагают, что брусок может и дальше терять свой вес.
Кроме того, ученые говорят, что другие основополагающие единицы, такие как ампер, вольт, моль, метр и другие не привязаны к каким-либо физическим ссылкам.
Ранее немецкие специалисты из Национального института метрологии в Брауншвейге сообщили, что будут использовать новую 10-сантиметровую кремниевую сферу в качестве эталона килограмма. По мнению ученых, новый эталон более точен и стабилен, нежели используемый сейчас.
Цель нового проекта заключается в создании более надежного эталона, точность которого измеряется на атомном уровне. Ученые говорят, что атомы кремния для этого проекта подходят идеально, так как они очень стабильны, а их соединения почти не разрушаются в стандартных условиях.
Примечательно, что частично новый кремниевый эталон килограмма был разработан в России. Также в проекте приняли участие ученые из Австралии и Японии. Всего на изготовление кремниевой сферы беспрецедентной точности было потрачено 2 миллиона евро, а процесс ее создания занял чуть меньше 5 лет.
По словам Петера Бекера, руководителя проекта, для создания килограммового эталона физики рассчитали сколько атомов кремния должно находиться в 1 килограмме этого элемента, после чего приступили к «сборке» эталона. Однако Бекер подчеркивает, что и новая сфера не является идеально точной, так как сегодняшняя наука не способна сложить макрообъект в буквальном смысле слова, собирая его по атомам, пишет ZN.UA по материалам CyberSecurity .
* Справка: Что такое Международное бюро мер и весов?
Учреждено в 1875 г., вместе с подписанием Метрической конвенции . Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции.
В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.
В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.
В разные годы бюро возглавляли известные европейские ученые: G. Govi (Италия, 1875-1877) , J. Pernet (Швейцария, 1877-1879) , O.-J. Broch (Норвегия, 1879-1889) , J.-R. Benoit (Франция, 1889-1915) , C.-E. Guillaume (Швейцария, 1915-1936) , A. Perard (Франция, 1936-1951) , C. Volet (Швейцария, 1951-1961) , J. Terrien (Франция, 1962-1977) , P. Giacomo (Франция, 1978-1988) , T. J. Quinn(Великобритания, 1988-2003) .
С 2004 года по настоящий момент директором МБМВ является профессор Эндрю Уоллард (A. J. Wallard ), Великобритания. Бюро финансируется странами-участницами Метрической конвенции.
Существует также Главная палата мер и весов , которая была учреждена в 1893 году в Санкт-Петербурге по инициативе Д. И. Менделеева, учёного-хранителя Депо образцовых мер и весов , которое и было преобразовано в Главную палату.
Главная палата мер и весов являлась центральным учреждением Министерства финансов, заведовавшим поверочной частью в Российской империи и подчиненным отделу торговли.
По Положению о мерах и весах 1899 задачей Палаты являлось «сохранение единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов»; по закону 1901 на нее было возложено заведование местными поверочными палатками, временными их отделениями, распределение по тем и другим состоявших при Палате поверителям, командирование их и др., а также решение различных вопросов по метрологии и ведение отчетности по поступлению в казну сборов за клеймение мер и весов. В самой Палате устройство поверочного дела было доведено до возможного научно-технического совершенства.
Сегодня ВНИИМ является одним из крупнейших мировых центров научной и практической метрологии, головной организацией страны по фундаментальным исследованиям в метрологии и главным центром государственных эталонов России. Подчинен Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии.
В июле 1994 года Постановлением Правительства РФ ВНИИМ присвоен статус Государственного научного центра РФ. Как Государственный научный центр РФ ВНИИМ подчинен Министерству образования и науки России и входит в Ассоциацию государственных научных центров, пишут на Википедии .
Точность не бывает лишней. Именно поэтому во всем мире создана и существует система международных измерений, выраженная в эталонах всех известных человеку измерений. И только эталон килограмма выделяется в линейке единиц измерения. Ведь именно он единственный имеет физический реально существующий прототип. Сколько весит и в какой стране хранится международный эталон килограмма, ответим в этой статье.
Зачем нужны эталоны?
Килограмм, например апельсинов, весит одинаково в Африке и в России? Ответ - да, почти. А все благодаря международной системе определения стандартов эталонакилограмма, метра, секунды и других физических параметров. Эталоны измерений необходимы человечеству для обеспечения экономической деятельности (торговли) и строительной (единство чертежей), промышленной (единство сплавов) и культурной (единство временных интервалов) и многих других сфер деятельности. И если в ближайшем будущем сломается ваш айфон, то весьма вероятно, что это случилось из-за изменений в весе самого главного эталона массы.
История стандартов
Каждая цивилизация имела собственные стандарты и эталоны, которые сменяли друг друга по прошествии веков. В Древнем Египте масса предметов измерялась в кантарах или киккарах. В Древней Греции это были таланты и драхмы. А в России масса товара измерялась в пудах или золотниках. При этом люди разных экономических и политических систем как бы договаривались о том, что единица измерения массы, длины или другого параметра будет сопоставима с единой договорной единицей. Что интересно, даже пуд в давние времена мог отличаться на треть у торговцев из разных стран.
Физика и стандарты
Договоренности, часто устные и условные, работали до того, пока человек не занялся всерьез наукой и инженерным делом. С пониманием законов физики и химии, развитием промышленности, созданием парового котла и развитием международной торговли появилась необходимость в более точных единых стандартах. Подготовительная работа была длительной и кропотливой. Физики, математики, химики всего мира работали над поиском универсального эталона. И в первую очередь - международного эталона килограмма, ведь именно от отталкиваются другие физические параметры (Ампер, Вольт, Ватт).
Метрическая конвенция
Знаменательное событие произошло в предместье Парижа в 1875 году. Тогда впервые 17 стран (и Россия в их числе) подписали метрическую конвенцию. Это международный договор, обеспечивающий единство стандартов. Сегодня к ней присоединились 55 стран в качестве полноправных членов и 41 страна как ассоциированные члены. Тогда же созданы Международное бюро мер и весов и международный комитет мер и весов, главная задача которых следить за единством стандартизации по всему миру.
Эталоны первой метрической конвенции
Эталоном метра стала линейка из сплава платины и иридия (9 к 1) длиною в одну сорокамиллионную часть Парижского меридиана. Эталон килограмма из такого же сплава соответствовал массе одного литра (дециметра кубического) воды при температуре в 4 градуса по Цельсию (наивысшая плотность) при стандартном давлении над уровнем моря. Стандартом секунды стала 1/86400 часть длительности средних солнечных суток. Все 17 стран участников конвенции получили по копии эталона.
Место Z
Прототипы и оригинал эталона сегодня хранятся в Палате мер и весов в г. Севр под Парижем. Именно в предместье Парижа и находится место, где хранится эталонкилограмма, метра, канделы (сила света), ампера (сила тока), кельвина (температура) и моль (как единица вещества, физического эталона нет). Система мер и весов, которая основана на этих шести эталонах, названа Международной системой единиц (СИ). Но история эталонов на этом не окончилась, она еще только начиналась.
СИ
Система стандартов, которой мы пользуемся - СИ (SI), от французского Systeme International d’Unites - включает семь базовых величин. Это метр (длина), килограмм (масса), ампер (сила тока), кандела (сила света), кельвин (температура), моль (количество вещества). Все остальные физические величины получаются путем различных математических исчислений с использованием базовых величин. Например, единица силы равна кг х м/с 2 . Все страны мира, кроме США, Нигерии и Мьянмы, используют систему СИ для измерений, что означает сравнение неизвестной величины с эталоном. А эталон - это эквивалент физического значения, о котором все договорились, что он абсолютно точен.
Эталон кило это сколько?
Казалось бы чего проще - эталон 1 килограмма это вес 1 литра воды. Но на самом деле это не совсем так. Что принимать за эталон килограмма из порядка 80 прототипов - вопрос довольно сложный. Но волею случая был выбран оптимальный вариант состава сплава, который просуществовал более 100 лет. Эталон килограмма массы изготовлен из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), и представляет собой цилиндр, диаметр которого равен высоте и составляет 39,17 миллиметров. Были также изготовлены и его точные копии, количеством в 80 штук. Копии эталона килограмманаходятся в странах-участниках конвенции. Главный же эталон хранится в предместье Парижа и накрыт тремя герметичными капсулами. Везде, где находится эталон килограмма,с периодичностью в десять лет проводится сверка с самым главным международным эталоном.
Самый главный эталон
Международный эталон килограмма был отлит в 1889 году и хранится в г. Севр во Франции в сейфе Международного бюро мер и весов, накрытый тремя герметичными колпаками из стекла. Ключи от этого сейфа есть лишь у трех высокопоставленных представителей бюро. Вместе с главным эталоном в сейфе находится и шесть его дублеров или преемников. Каждый год главную меру веса, что принимается за эталон килограмма, торжественно извлекают для освидетельствования. И с каждым годом он становится все худее и худее. Причина такого похудения - отрыв атомов при извлечении образца.
Российская версия
Копия эталона есть и в России. Хранится он во ВНИИ метрологии им. Менделеева в Санкт-Петербурге. Это два платиново-иридиевых прототипа - № 12 и № 26. Они находятся на подставке из кварца, накрыты двумя стеклянными колпаками и закрыты в металлическом сейфе. Температура воздуха внутри капсул 20 °С, влажность 65 %. Отечественный прототип имеет вес 1, 000000087 килограмма.
Эталон килограмма худеет
Сверки эталона показали, что точность национальных эталонов порядка 2 мкг. Все они хранятся в аналогичных условиях, и расчеты показывают, что эталон килограмма за сто лет теряет в весе 3 х 10 −8 веса. Но по определению, масса международного эталона соответствует 1 килограмму, а любые изменения реальной массы эталона приводят и к изменению самого значения величины килограмма. В 2007 году выяснилось, что килограммовый цилиндр стал весить на 50 микрограмм меньше. И уменьшение его веса продолжается.
Новые технологии и новый эталон меры веса
Для устранения погрешностей ведется поиск новой структуры эталона килограмма. Есть разработки по определению эталоном определенного количества изотопов кремния-28. Существует проект «Электронный килограмм». В национальном институте стандартов и технологий (2005, США) сконструирован прибор, основанный на необходимой для создания электромагнитного поля, способного поднять 1 кг массы. Точность такого измерения - 99,999995 %. Есть разработки определения массы в отношении к массе покоя нейтрона. Все эти разработки и технологии позволят уйти от привязки к физическому эталону массы, достичь более высокой точности и возможности проведения сверки в любой точке мира.
Другие перспективные проекты
И пока мировые светила науки определяются, какой путь решения проблемы более надежен, самым перспективным считают проект, при котором масса не будет меняться с течением времени. Таким эталоном стало бы тело кубической формы из атомов изотопа углерода-12 с высотой в 8,11 сантиметра. В таком кубе будет 2250 х 281489633 атомов углерода-12. Исследователи из национального института стандартов и технологий США предлагают определять эталон килограмма, используя постоянную Планка и формулу E=mc^2 .
Современная метрическая система
Современные эталоны совсем не те, что были ранее. Метр, первоначально соотнесенный с длиною окружности планеты, сегодня соответствует расстоянию, что проходит луч света за одну 299792458-ю секунды. А вот секунда - это то время, за которое проходит 9192631770 колебаний атома цезия. Преимущества квантовой точности в данном случае очевидны, ведь они могут быть воспроизведены в любом месте планеты. В итоге, единственным эталоном, который существует физически, остается пока эталон килограмма.
Сколько стоит эталон?
Просуществовав более 100 лет, эталон уже стоит немало, как предмет уникальный и артефактный. А в целом для определения ценового эквивалента необходимо подсчитать количество атомов в килограмме чистого золота. Число получится из порядка 25 цифр и это без учета идейной ценности данного артефакта. Но пока о продаже эталона килограмма говорить рано, ведь пока не избавилось от единственно оставшегося физического эталона международной системы единиц.
Во всех часовых поясах планеты время определяется относительно всемирного времени UTC (например, UTC+4:00). Что примечательно, у аббревиатуры вообще нет расшифровки, она принята в 1970 году международным союзом электросвязи. Были предложены два варианта: английский CUT (Coordinated Universal Time) и французский TUC (Temps Universel Coordonné). Выбрали среднюю нейтральную аббревиатуру.
На море используется измерение «узел». Для измерения скорости корабля использовали специальный лаг с узлами на одинаковом расстоянии, который бросали за борт и отсчитывали количество узлов за определенный период времени. Современные приборы куда более совершенны, чем веревка с узлами, но название осталось.
Слово скурпулезность, значение которого чрезвычайная точность и аккуратность, пришло в языки от названия древнегреческого эталона веса - скрупула. Он был равен 1,14 грамму и использовался при взвешивании серебряных монет.
Название денежных единиц также часто берут начало в названиях мер веса. Так, стерлингами в Британии назывались монеты из серебра, таких монет весили фунт. В Древней Руси в ходу были «гривны серебра» или «гривны золота», что означало определенное количество монет, выраженное в весовом эквиваленте.
Странное измерение мощности автомобилей в лошадиных силах имеет вполне реальное происхождение. Изобретатель паровой машины именно так решил продемонстрировать преимущество своего изобретения над тяговым транспортом. Он подсчитал, сколько лошадь может поднять груза в минуту и обозначил это количество как одну лошадиную силу.
Действующее до мая 2019 года определение килограмма принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так :
Килограмм - единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.
Килограмм пока остаётся последней единицей СИ, которая определена на основе объекта, изготовленного человеком. Однако, XXVI Генеральная конференция по мерам и весам (13 - 16 ноября 2018 года) одобрила новое определение килограмма , основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступит в силу 20 мая 2019 года. При этом с практической точки зрения величина килограмма не изменится, но существующий «прототип» (эталон) более не будет определять килограмм, а станет очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.
Прототип килограмма
Килограмм и постоянная Планка
Эти две формулы, найденные в начале XX века, устанавливают теоретическую возможность измерения массы через энергию индивидуальных фотонов , но практические эксперименты, позволяющие связать массу и постоянную Планка, появились лишь в конце XX века.
U 1 I 2 = m g v 1 , {\displaystyle U_{1}I_{2}=mgv_{1},}где U 1 I 2 {\displaystyle U_{1}I_{2}} - произведение электрического тока во время балансирования массы и напряжения в процессе калибровки, - произведение ускорения свободного падения g {\displaystyle g} и скорости катушки v 1 {\displaystyle v_{1}} во время калибровки весов. Если g v 1 {\displaystyle gv_{1}} независимо замерено с высокой точностью (практические особенности эксперимента также требуют высокоточного замера частоты ), предыдущее уравнение по сути определяет килограмм в зависимости от величины ватта (или наоборот). Индексы у U 1 {\displaystyle U_{1}} и I 2 {\displaystyle I_{2}} введены с тем, чтобы показать, что это виртуальная мощность (замеры напряжения и тока делаются в разное время), избегая эффектов от потерь (которые могли бы быть вызваны, например, наведёнными токами Фуко) .
Связь между ваттом и постоянной Планка использует эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла :
Поскольку I 2 = U 2 R {\displaystyle I_{2}={\frac {U_{2}}{R}}} , где R {\displaystyle R} - электрическое сопротивление , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\displaystyle U_{1}I_{2}={\frac {U_{1}U_{2}}{R}}} ; эффект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\displaystyle U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)} ; квантовый эффект Холла: R (i) = 1 i (h e 2) {\displaystyle R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)} ,
где n {\displaystyle n} и i {\displaystyle i} - целые числа (первое связано со ступенькой Шапиро, второе - фактор заполнения плато квантового эффекта Холла), f {\displaystyle f} - частота из эффекта Джозефсона, e {\displaystyle e} - заряд электрона . После подстановки выражений для U {\displaystyle U} и R {\displaystyle R} в формулу для мощности и объединения всех целочисленных коэффициентов в одну константу C {\displaystyle C} , масса оказывается линейно связанной с постоянной Планка:
m = C f 1 f 2 h g v 1 {\displaystyle m=Cf_{1}f_{2}{\frac {h}{gv_{1}}}} .Поскольку все остальные величины в этом уравнении могут быть определены независимо от массы, оно может быть принято за определение единицы массы после фиксации значения 6,62607015×10 −34 для постоянной Планка.
Этимология и употребление
Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme », которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι » (chilioi ), что означает «тысяча» и «γράμμα » (gramma ), что означает «маленький вес» Слово «kilogramme » закреплено во французском языке в 1795 году . Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году , в то время как в США слово стало использоваться в форме «kilogram », позднее ставшее популярным и в Великобритании Положение о мерах и весах (англ. Weights and Measures Act ) в Великобритании не запрещает использование обоих написаний .
В XIX веке французское сокращение «kilo » было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов , так и километров .
Природа массы
Килограмм является единицей массы , величины , которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса характеризует два различных свойства тела: гравитационное взаимодействие с другими телами и инертность . Первое свойство выражается законом всемирного тяготения : гравитационное притяжение прямо пропорционально произведению масс. Инертность находит отражение в первом (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила) и втором законе Ньютона: a = F/m ; то есть объект массой m в 1 кг получит ускорение a в 1 метр в секунду за секунду (около одной десятой ускорения свободного падения , вызванного притяжением Земли) , когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон . По современным представлениям, гравитационная и инертная массы эквивалентны .
Поскольку торговля и коммерция обычно имеют дело с предметами, чья масса намного значительней одного грамма, и поскольку стандарт массы, изготовленный из воды, был бы неудобен в обращении и сохранении, было предписано отыскать способ практической реализации такого определения. В связи с этим был изготовлен временный эталон массы в виде металлического предмета в тысячу раз тяжелее, чем грамм, - 1 кг.
Французский химик Луи Лефёвр-Жино (англ. Louis Lefèvre-Gineau ) и итальянский натуралист Джованни Фабброни (англ. kilogramme des Archives 1889 году было принято международное определение килограмма как массы международного прототипа килограмма ; это определение продолжит действовать до мая 2019 года.
Были изготовлены также копии международного прототипа килограмма: шесть (на данный момент) официальных копий; несколько рабочих эталонов, используемых, в частности, для отслеживания изменения масс прототипа и официальных копий; и национальные эталоны, калибруемые по рабочим эталонам . Две копии международного эталона были переданы России , они хранятся во ВНИИ метрологии им. Менделеева .
За время, прошедшее с изготовления международного эталона, его несколько раз сравнивали с официальными копиями. Измерения показали рост массы копий относительно эталона в среднем на 50 мкг за 100 лет . Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место . Для оценки величины абсолютного изменения массы международного прототипа килограмма приходилось строить модели, учитывающие результаты сравнений масс самого прототипа, его официальных копий и рабочих эталонов (при этом, хотя обычно участвующие в сравнении эталоны обычно предварительно промывали и чистили, но не всегда), что дополнительно усложнялось отсутствием полного понимания причин изменений масс. Это привело к пониманию необходимости ухода от определения килограмма на основе материальных предметов .
В 2011 году XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию, в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов . В частности предлагалось, что «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X⋅10 −34 , когда она выражается единицей СИ м 2 ·кг·с −1 , которая равна Дж·с». В Резолюции отмечается, что сразу после предполагаемого переопределения килограмма масса его международного прототипа будет равна 1 кг, но это значение приобретёт погрешность и впоследствии будет определяться экспериментально. Такое определение килограмма стало возможным благодаря прогрессу физики в XX веке.
В 2014 году было проведено внеочередное сравнение масс международного прототипа килограмма, его официальных копий и рабочих стандартов; на результатах этого сравнения основаны рекомендованные значения фундаментальных постоянных CODATA 2014 и 2017 годов, на которых, в свою очередь, основывается новое определение килограмма.
Решение вступит в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.
Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, и согласно современному определению составляет приблизительно 1000,0 килограммов .
Кратные и дольные единицы
По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10 −3 кг).
Федеральное агентство по образованию
Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра «Приборостроение и телекоммуникации»
РЕФЕРАТ
ЭТАЛОН ДЛИНЫ И МАССЫ
Выполнил:
ст-т гр. Р 54-2
А. Е. Шамова
Проверил:
преподаватель
Красноярск 2007
Эталоном называется средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины и передачи ее размера другим, менее точным, средствам измерения.
Международные эталоны хранятся в Международном Бюро Мер и Весов, расположенном в Севре – пригороде Парижа. В соответствии с международными соглашениями с их помощью периодически проводятся сличения национальных эталонов разных стран, в том числе взаимные сличения национальных эталонов. Например, национальные эталоны метра и килограмма сличаются один раз в 20-25 лет, а эталоны вольта и Ома – раз в три года.
Эталон единицы длины.
В 1971 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы длины – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза .
Но уже в 1837 г. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции.
В 1889 г. Был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения, который, как следует из рассмотрения Рис. 1 вписывается в квадрат .
Длина линейки составляет 102 см. На каждом из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.
Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет. Уже в начале 20 в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.
В 1960 г. XI
Генеральной конференцией по мерам и
весам было принято новое определение
метра: метр – длина, равная 1650763,73
длины волны в вакууме излучения,
соответствующего переходу между уровнями
и
атома
криптона-86.
Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной в сосуд Дюара с жидким азотом (Рис. 2 ). При подаче электрического напряжения +1500 в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линейки (Рис. 1 ). Фактически определяется не все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения производится с помощью спектроинтерферометров.
Погрешность воспроизведения
метра, оцениваемая средним квадратическим
отклонением результата измерения, с
помощью данного эталона существенно
уменьшилась по сравнению с погрешностью
платиноиридиевого прототипа метра и
составила
.
Новый эталон метра.
Повышение точности эталона длины стало реальным при получении возможности распространения абсолютных измерений частоты (в радиочастотном спектре колебаний) на оптический диапазон и разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: «Метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)». Данное определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: «криптоновый» метр не был непосредственно связан со временем, новый метр опирается на эталон единицы времени - секунду и известное значение скорости света.
Еще многие годы метрология и техника будут использовать значение скорости света, установленное XVII Генеральной конференцией по мерам и весам.
В настоящее время для обеспечения
высокой степени стабилизации важнейшего
параметра лазерного излучения – частоты,
широко применяются гелий-неоновые
лазеры на длине волны излучения
мкм (инфракрасная область спектра) и
мкм (видимая область спектра),
стабилизированные соответственно
по насыщенному поглощению в метане
(Не-Ne/CH
4
)
и молекулярном йоде (Не-Ne/I
2
).
Лазеры на основе (Не-Ne/CH 4 ) по воспроизводимости частоты приближаются к цезиевому стандарту, являющемуся основой эталона времени и частоты. Работающий в видимом диапазоне спектра Не-Ne/I 2 лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распространения света в вакууме. Наличие излучения на двух длинах волн ( мкм и мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высокую точность измерений. Секунда воспроизводится с помощью цезиевых стандартов частоты в СВЧ диапазоне электромагнитных колебаний, а новый метр – в оптическом диапазоне частот, т. е. на несколько порядков выше частот, применяемых в эталоне времени и частоты. Таким образом, необходим «мост», служащий для передачи эталонной частоты цезиевого стандарта в оптическую часть диапазона.
Комплекс аппаратуры для «переноса»
измерений частоты в «радиочастотном»
эталоне времени на измерения частоты
высокостабильных лазеров (в оптическом
диапазоне) был назван радиооптическим
частотным мостом (РОЧМ). РОЧМ позволил
получить наивысшую точность измерения
скорости света в вакууме и рассматривать
ее как фундаментальную физическую
константу, явился основой создания
единого эталона частоты – времени -
длины. В этот эталон входят эталон
времени и частоты, аппаратура РОЧМ,
а также новый эталон метра, включающий
Не-Ne
лазеры,
интерферометр сравнения длин волн
Не-Ne/CH
4
лазеров и Не-Ne/I
2
лазеров, интерферометр, непосредственно
формирующий единицу длины - метр. Этот
эталон имеет погрешность воспроизведения
в виде среднего квадратического
отклонения результата измерений около
,
систематическая составляющая не
превышает
,
т. е. более чем на три порядка меньше
погрешности воспроизведения метра с
помощью «криптонового» метра.
Эталон единицы массы.
Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкое разграничение понятий массы и веса, и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.
В состав эталона входят:
Копия международного прототипа килограмма (№ 12), представляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (г. Санкт -Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе. Эталон хранится при поддержании температуры воздуха в пределах (20±3)°С и относительной влажности 65 %. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера килограмма;
Равноплечие призменные весы на 1 кг № 1 с дистанционным управлением (с целью исключения влияния оператора на температуру окружающей среды), изготовленные фирмой «Рупрехт», и равноплечие современные весы на 1 кг № 2, изготовленные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам.
На Рис. 3 показан эталон килограмма в современном виде. Справа на рисунке представлено вместе с прототипом килограмма № 12 двухконтурное стеклянное защитное устройство.
Погрешность воспроизведения
килограмма, выраженная средним
квадратическим отклонением результата
измерений, составляет
.
Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Табл. 1 приведены результаты лишь двух сличений (они были и позже 1954 г.) эталонов килограмма.
Таблица 1
Новый эталон килограмма
Недавно выяснилось, что Парижский эталон килограмма не совсем точен. Решить эту проблему, т.е. создать новый эталон массы, поможет программа, в которой участвуют ученые из восьми стран. Первые 140 граммов вещества для нового эталона уже существуют. Это сверхчистый кремний, на 99,99% состоящий из изотопа кремния-28.
Через три года такого кремния будет уже 5 кг. Этого хватит, чтобы сделать килограммовый шар, число атомов кремния-28 в котором будет точно известно. И тогда допотопную гирю в парижской Палате мер и весов заменит эталон, не только масса, но и число атомов в котором будут определены с предельной для сегодняшней мировой науки точностью.
Получить новый, действительно точный эталон массы ученые, а особенно физики, мечтали давно. Часть работы выполнена, но впереди еще огромный объем. Дело в том, что в микроэлектронике химически чистый кремний получать в основном научились. Но природный кремний состоит из трех изотопов с разной, естественно, массой атомов - 28 (92%), 29 (5%) и 30 (3%) углеродных единиц. А для эталона массы атомы нужны только одинаковые. Только после получения в России изотопически-чистого кремния в Австралии сделают идеальный гладкий шар. И потом шар будут долго и тщательно проверять в Германии и Франции. Таким образом, впервые появляется возможность уточнить одну из самых фундаментальных химических величин - число Авогадро.
Что такое килограмм? Детский вопрос! Это же масса литра воды. Чтобы получить его в домашних условиях, достаточно иметь водопроводный кран и литровую банку. Но вот «настоящее и полновесное» эталонное кило в последнее время стремительно теряет в весе.
Увы, всемирный эталон килограмма, как явствует из New York Times, стал жертвой загадочной и продолжительной болезни. Заглянем в анамнез.
В XVIII веке килограмм был определён как масса кубического дециметра воды при температуре её наибольшей плотности (4 o С). Как оказалось, такое определение не вполне конструктивно: нужен очень точный кубический дециметр, совершенно чистая вода и абсолютно правильный термометр.
За дополнительными сведениями о заболевшем обратимся в Книгу Судеб - БСЭ.
«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.
Самый главный на сегодняшний день килограмм - просто кусок железа (фото bipm.org).
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».
Оказывается, сработанный английским ювелиром платиноиридиевый килограмм - единственная основная единица СИ, доблестно хранящая своё определение аж с позапрошлого века. И сама хранящаяся в виде материального артефакта.
Метр, например, поначалу соотнесённый с длиной земной окружности, теперь приравнен к расстоянию, проходимому светом за одну 299792458-ю долю секунды. А собственно секунда - это время, за которое атом цезия совершает 9192631770 колебаний.
Мало того, что эти единицы определены с подобающей квантовой точностью, они ещё могут быть адекватно воспроизведены в любой точке мира. Клонировать килограмм куда сложнее, вдобавок для этого требуется сложная бюрократическая процедура.
Видимо, долгое время такое уникальное положение килограмма всех устраивало, раз не было достаточных побудительных оснований к созданию его скрупулёзной формулы.
Но переменчивый килограмм тянет за собой в дрейфующее плавание и Ватт, и другие смежные единицы измерения.
А 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).
Килограмм и 6 его приспешников хранятся в постоянно запертом сейфе (фото bipm.org).
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.
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.
Для производства шара необходимо было получить изотоп кремния очень высокой степени очистки. Помощь в этом начинании оказала Россия - на старых, ещё советских ядерных оружейных фабриках имеются центрифуги, использовавшиеся для выработки высокообогащённого урана.
Возможно, этот кремниевый шар станет новым килограммом. Но только в виде числа составляющих его атомов (фото nytimes.com).
Полученный шар потребовалось измерить на «круглость». Кристалл был педантично замерен в полумиллионе точек. Вывод: шар - самое круглое творение рук человеческих. Если увеличить шар до размеров Земли, высота Эвереста составит всего четыре метра.
Интригующая особенность шара: совершенно невозможно на глаз определить, покоится он или вращается. Только если на поверхность упадёт пылинка, взгляду будет за что зацепиться.
Хотя число атомов кремния, составляющих уникальный объект, ещё не подсчитано, методика уже вызывает критику из другого лагеря, сплотившего учёных из США, Англии, Франции и Швейцарии.
По их мнению, с сегодняшними технологиями невозможно точно сосчитать число атомов, поэтому килограмм легче и надёжнее вычислить, используя электрическое напряжение. Измерение энергии, дескать, проще подсчёта атомов. Может и проще, но только не на словах.
В работе используется сложный механизм, называемый балансом Ватта. В основу методики положена эквивалентность механической и электрической мощности.
Следует создать электромагнитное поле, поместить в него эталонный килограмм, и замерить параметры эксперимента. Поскольку гравитационное поле постоянно и детерминировано местоположением трёхэтажной установки, через эталонный килограмм можно связать значения механических и электрических величин.
Правда, надо ещё учесть приливно-отливные воздействия, а прочие проявления внешней среды можно исключить, поместив установку в глубокий вакуум.
Кремниевая сфера, созданная в Австралийской Национальной лаборатории измерений (Australias National Measurement Laboratory — NML).
Измерив значения длины, времени, электрического тока и сопротивления (а все они могут быть вычислены на основе фундаментальных и инвариантных квантовых явлений) можно квантовым же способом оцифровать и основную единицу - килограмм. Подобным образом была уже определена масса электрона.
О точности изощрённого и окольного способа вычисления килограмма говорить пока рано, учёные поглощены устранением колебаний напряжения в электрических цепях. Однако они уверены, что победа будет за ними, а не за конструкторами кремниевых шаров.
По информации New York Times, секция массы BIMP - инстанция, в конечном счёте, определяющая судьбу килограмма - склоняется к последнему подходу, но сделать окончательный выбор пока что очень сложно. Но выбирать хотят между этим двумя, хотя существуют и другие варианты.
Например, как и всё в нашем мире купли-продажи, пресловутый килограмм может иметь точное ценовое выражение.
Для его исчисления надо узнать количество атомов в килограмме чистого золота. По сегодняшним прикидкам, в таком числе должно быть порядка 25 цифр, но ничего более определённого сказать о нём нельзя.