Кілограми - хімічна школа
кілограм
| стандартний | Одиниця СІ |
| Назва одиниці | кілограм |
| Символ одиниці | $ \ mathrm $ |
| Описані розміри | Розміри |
| Символ (и) розміру | $ м $ |
| Назва розміру | Розміри |
| Символ виміру | $ \ mathsf $ |
| В одиницях CGS | 1 кг = 10 3 г. |
| В одиницях Планка | 1 кг = 4,7 · 10 7 |
| Імені | Грецька. χίλιοι, chilioi (Тисяча) і γράμμα, грамма (Лист) |
| Дивитися також: Тонна (одиниця) | |
кілограм є базовою одиницею маси в Міжнародній системі одиниць (СІ). Його маса визначається масою Міжнародний прототип кілограма (також Оригінальний кілограм), платиново-іридієвий балон, що зберігається Міжнародним бюро мір і ваг. Одиницею позначення кілограма є кг.
Назва одиниці кілограма відрізняється від системи Міжнародної системи одиниць тим, що вона починається префіксом СІ (кілограм); Ось чому десяткові частини та кратні кілограма не повинні утворюватися з кілограма з префіксами або префіксами, натомість вони походять від грама. [1] З часу модернізації визначення лічильника в 1960 році, кілограм є єдиною базовою одиницею СІ, яка все ще визначається порівняльним об'єктом (прототипом).
Кілограмові прототипи та норми
З 1889 р. - в середній катетрії метрології - Міжнародний кілограмовий прототип еталонний стандарт для одиниці виміру кілограмів. Він зберігається в сейфі в Міжнародному бюро мір та ваг (BIPM) у Севрі поблизу Парижа. Це циліндр заввишки 39 міліметрів і 39 міліметрів у діаметрі, виготовлений із сплаву 90% платини та 10% іридію. Матеріал в основному хімічно інертний. Його висока щільність, як і вибір геометрії, мінімізує ефекти поверхневих ефектів. Вміст іридію призводить до значно вищої твердості (175HV) порівняно з відносно м'якою чистою платиною, що покращує оброблюваність під час виробництва і, зокрема, зменшує стирання під час маніпуляцій.
Окрім Міжнародного кілограмового прототипу, Міжнародне бюро мір та ваг (BIPM) має інші еталонні та робочі стандарти (→ Звичайний), які є копіями Міжнародного кілограмового прототипу та підключаються до нього (зв’язок = калібрування за вищим стандартом Замовлення). Довідкові стандарти використовуються для контролю (наприклад, дрейфу), тоді як робочі стандарти використовуються для з'єднання національних прототипів кілограмів, які також є копіями міжнародного прототипу кілограма. Усі копії називаються кілограмовими прототипами і відкалібровані до ± 1 міліграма. Зв'язок еталонних та робочих стандартів, виготовлених з компараторами маси, має відносну похибку вимірювань 3 · 10 −9, національний кілограмовий прототип 5 · 10 −9. До 2003 року було випущено 84 кілограмових зразків.
Порівняння національного та міжнародного кілограмового прототипу BIPM, так званих повторних експертиз, проводяться приблизно кожні 50 років, раніше в 1939/46–1953 і останнім часом у 1988–1992. Як і в порівнянні з еталонними стандартами, було встановлено, що оригінальний кілограм став на 50 мікрограмів легшим за копії за 100 років. [3] Причина поки невідома. Виключалась можливість видалення матеріалу з початкового кілограма під час чищення. Інше пояснення полягає в тому, що, наприклад, водень вийшов із платиново-іридієвого сплаву. [4]
Походження та історія
У 1889 р., З відповідною офіційною резолюцією 1-ї Генеральної конференції з мір та ваг, визначення кілограма з маси кілограми дефінітив до цього Міжнародний прототип кілограма завершено. В рамках перевірок, проведених у 1939 році, виявилося, що це означало значну різницю в довгостроковій перспективі: порівняно з міжнародним кілограмовим прототипом, виготовлений із кованої платинової губки, втрачений Кілограми архіву 430 мікрограмів його маси за 58 років. Із 40-кілограмових прототипів, які були скопійовані, 29 спочатку були роздані розіграшами державам Конвенції та іншим зацікавленим сторонам, особливо науковим товариствам, за собівартістю, один зберігався на додаток до KI як еталонний примірник з міжнародним прототипом, а два були передані BIPM як робочі копії. Резервний запас зменшився приєднаними державами, і в 1925 р. Кількість примірників було збільшено до чотирьох.
Планове перевизначення
В даний час у всьому світі ведеться робота з переоцінки кілограма таким чином, щоб його можна було отримати з основної константи у фізиці. Через вищезазначені відхилення цей проект став особливо нагальним. Для того, щоб досягти покращення щодо поточної ситуації, слід розробити метод визначення маси з точністю до порядку 10 −8. До 2010 року слід досягти результату, щоб мати можливість прийняти нове визначення на наступній черговій генеральній конференції щодо мір та ваги в 2011 році. Два підходи були тимчасово відмовлені з урахуванням встановленого терміну, ще два - проект Avogadro та баланс Watt - все ще серйозно проводяться. Спочатку проект «Авогадро» просто не досяг необхідної точності в 2010 році, але його досягнення вважається певним, якщо проект буде продовжуватися далі. На кінець січня 2011 року не було відомих результатів щодо балансу Вт. На конференції було вирішено в майбутньому отримувати одиниці кілограм, ампер, кельвін та моль з фізичних констант. Рішення про точну процедуру та терміни її реалізації очікується на наступній генеральній конференції у 2014 році. [8] [9]
Проект «Авогадро»
Визначення константи Авогадро $ N_A $ з маси $ m $ і обсягу $ V $ тіла, що складається з матеріалу відомої щільності частинок $ n $ і молярної маси $ M $:
Якщо найбільшим фактором невизначеності в цьому є надійність кілограма, можна зробити зворотне: кілограм можна було б визначити точніше, ніж раніше, визначивши його як масу певної кількості атомів певної ізотопної суміші.
Достатньо точне визначення щільності частинок $ n $ можливо лише за допомогою рентгенівського лазерного інтерферометра і для цього потрібен монокристалічний матеріал. Через вимоги до точності характеристик матеріалу в даний час для цього може бути використаний лише хімічно надчистий, ізотопно чистий кремній-28. У випадку природного кремнію, який є сумішшю трьох ізотопів, відносно погана визначуваність середньої молярної маси обмежує загальну точність. Точне визначення обсягу вимагає виготовлення високоточної кульки з матеріалу. Крім того, слід враховувати щільність порожнеч, концентрації домішок, товщину та склад шару діоксиду кремнію на поверхні та ін.
Об'єм $ V $, включаючи відхилення від сферичної форми, вимірювали за допомогою інтерферометрів різної геометрії пучка на NMIJ та NMI-A, а також на PTB, де використовувався нещодавно розроблений сферичний інтерферометр на основі інтерферометра Фізо з похибками нижче одного нанометра. [13]
Товщину та склад поверхневого шару, який по суті складається з діоксиду кремнію, досліджували за допомогою електронного, рентгенівського та синхротронного випромінювання для визначення загальної щільності. Серед іншого було визначено несподівано високий рівень забруднення сферичних поверхонь сферичними силіцидами міді та нікелю в процесі полірування та оцінено його вплив на результати обсягу та маси кулі, що також призвело до вищої невизначеності вимірювань, ніж очікувалося. Більша частина зменшення відносної загальної похибки вимірювань була досягнута шляхом розробки нового мас-спектрометричного методу для визначення середньої молярної маси $ M $ кремнію. [14]
У 2010 р. Константа Авогадро зросла із загальною похибкою вимірювань 3 · 10 −8 Не застосовується = 6,02214078 (18) · 10 23 моль − 1 щойно визначено. [15] Ця точність перевищує досягнуту на сьогодні, але невизначеність все ще в 1,5 рази перевищує 2,10 −8, яку вимагає Консультативний комітет з питань маси для нового визначення кілограма. Однак очікується, що з подальшими вдосконаленнями кульової інтерферометрії та процесу помелу, що призвели до забруднення металу поверхневого шару, необхідна точність може бути досягнута в осяжному майбутньому. [16]
Вт баланс
Визначте масу досліджуваного зразка з балансом ват. [17] По-перше, вимірюється сила струму в котушці, яка необхідна, щоб зразок плавав. По-друге, вимірюється напруга, яка індукує постійний рух котушки в цьому магнітному полі. Два результати вимірювання множаться, що формально призводить до електричної потужності з одиницею ват. Крім того, повинні бути відомі швидкість рухомої котушки та гравітаційне прискорення в місці розташування ваг. Ця процедура, як основа для нового визначення кілограма, одночасно визначала б значення кванту дії $ h $.
Національна дослідницька рада Канади (яка взяла на себе роботу від Британської національної фізичної лабораторії [18]), Національний інститут стандартів і технологій США та Федеральне бюро метрології Швейцарії працюють над методом балансу ват.
Накопичення іонів
Генерування зважуваної маси за допомогою іонного пучка (електрично заряджених атомів) та збір іонів. Вимірюючи електричний струм іонного пучка та час, можна потім розрахувати масу атома в одиниці кілограма. Physikalisch-Technische Bundesanstalt проводив експерименти із золотом з 1991 р., Перейшов на вісмут у 2004 р. І припинив експерименти в 2008 р., Оскільки виявилося неможливим отримати конкурентні результати за допомогою цього методу до прийняття рішення про переосмислення. [19]
Експеримент з магнітною левітацією
Магніт змушений плавати в неоднорідному магнітному полі. Його масу можна розрахувати з положення магніту в цьому полі. Спочатку цього підходу дотримувалась тодішня Японська національна науково-дослідна лабораторія метрології, але відтоді була відмовлена через відсутність досяжної точності. Японія також бере участь у проекті Avogadro.
література
Річард Девіс: Одиниця маси СІ. У: Metrologia 40 (2003), No 6 (спеціальний випуск: Маса), с. 299-305 - doi: 10.1088/0026-1394/40/6/001