2018 sorsdöntő évnek nevezhető a metrológiában, mert az SI fizikai mennyiségek nemzetközi mértékegységrendszerében ez egy igazi technológiai forradalom időszaka. A fő fizikai mennyiségek definícióinak felülvizsgálatáról van szó. Egy kilogramm burgonya a szupermarketben most új módon fog súlyozni? A C burgonya ugyanolyan lesz. Valami más fog változni.
Az SI-rendszer előtt
A súlyok és mértékek közös szabványaira már az ókorban is szükség volt. A mérések általános szabályai azonban különösen szükségessé váltak a tudományos és technológiai haladás megjelenésével. A tudósoknak közös nyelven kellett beszélniük: egy láb hány centiméter? És mi a centiméter Franciaországban, ha nem ugyanaz, mint az olasz?
Franciaország tiszteletbeli veteránnak és a történelmi metrológiai csaták győztesének nevezhető. A mérési rendszert 1791-ben Franciaországban hivatalosan is jóváhagyták, és őkmértékegységeket, valamint a főbb fizikai mennyiségek definícióit állapotdokumentumként írták le és hagyták jóvá.
A franciák értették meg először, hogy a fizikai mennyiségeket a természeti tárgyakhoz kell kötni. Például egy métert az egyenlítő felé északról délre tartó meridián hosszának 1/40 000 000-eként írnak le. Így a Föld méretéhez volt kötve.
Egy grammot természeti jelenségekhez is kötnek: a víz tömege köbcentiméterben nullához közeli hőmérsékleten (jégolvadás).
De, mint kiderült, a Föld egyáltalán nem tökéletes labda, és a kockákban lévő víznek sokféle tulajdonsága lehet, ha szennyeződéseket tartalmaz. Ezért ezeknek a mennyiségeknek a mérete a bolygó különböző részein kissé eltér egymástól.
A 19. század elején a németek Karl Gauss matematikus vezetésével beléptek az üzletbe. Javasolta a centiméter-gramm-másodperc mértékrendszer frissítését, és azóta a metrikus mértékegységek bekerültek a világba, a tudományba, és a nemzetközi közösség is elismerte, kialakult a fizikai mennyiségek nemzetközi mértékegységrendszere.
Úgy döntöttek, hogy a meridián hosszát és egy kocka víz tömegét a párizsi Súly- és Mértékhivatalban tárolt etalonokkal helyettesítik, a másolatok kiosztásával a metrikában részt vevő országoknak. egyezmény.
A Kilogram például úgy nézett ki, mint egy platina és irídium ötvözetéből készült henger, ami végül szintén nem lett ideális megoldás.
A fizikai mennyiségek SI nemzetközi mértékegységeinek rendszere 1960-ban jött létre. Eleinte hat volt bennealapmennyiségek: méter és hossz, kilogramm és tömeg, idő másodpercben, áramerősség amperben, termodinamikai hőmérséklet kelvinben és fényerősség kandelában. Tíz évvel később hozzáadtak még egyet – az anyag mennyiségét, mólokban mérve.
Fontos tudni, hogy a nemzetközi rendszer fizikai mennyiségeinek minden más mértékegysége az alapértékek származékának minősül, vagyis az SI rendszer alapmennyiségei segítségével matematikailag kiszámítható.
Távol a szabványoktól
A fizikai standardok nem a legmegbízhatóbb mérőrendszerek. Magát a kilogrammos szabványt és annak országonkénti példányait rendszeres időközönként összehasonlítják egymással. Az egyeztetések a szabványok tömegében bekövetkezett változásokat mutatják, amelyek különböző okok miatt fordulnak elő: por az ellenőrzés során, interakció az állvánnyal vagy valami más. A tudósok már régóta észrevették ezeket a kellemetlen árnyalatokat. Eljött az idő a nemzetközi mérésügyi rendszer fizikai mennyiségi egységeinek paramétereinek felülvizsgálatára.
Ezért a mennyiségek egyes definíciói fokozatosan megváltoztak: a tudósok igyekeztek kikerülni a fizikai standardokat, amelyek így vagy úgy, idővel megváltoztatták a paramétereiket. A legjobb módszer a mennyiségek származtatása megváltoztathatatlan tulajdonságok alapján, mint például a fénysebesség vagy az atomok szerkezetének változása.
Az SI rendszer forradalmának előestéjén
A fizikai mennyiségek nemzetközi mértékegységeinek rendszerében a fő technológiai változások a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda tagjainak éves konferencián történő szavazása révén valósulnak meg. Ha jóváhagyják, a változtatások néhány perc múlva életbe lépnekhónap.
Mindez rendkívül fontos azon tudósok számára, akiknek kutatásai és kísérletei a legnagyobb pontosságot követelik meg a mérésekben és a formulázásokban.
Az új 2018-as referenciaszabványok segítenek elérni a legmagasabb szintű pontosságot bármely mérés során, bárhol, időben és léptékben. És mindezt a pontosság vesztesége nélkül.
Mennyiségek újradefiniálása az SI rendszerben
A hét működési alapvető fizikai mennyiség közül négyre vonatkozik. Úgy döntöttek, hogy a következő mennyiségeket mértékegységekkel újradefiniálják:
- kilogramm (tömeg) a Planck-állandó egységeinek felhasználásával a kifejezésben;
- amper (áram) töltésméréssel;
- kelvin (termodinamikai hőmérséklet) egységnyilvánítással a Boltzmann-állandó használatával;
- mol az Avogadro-állandón (anyagmennyiség) keresztül.
A fennmaradó három mennyiségnél a definíciók szövegezése módosul, de lényegük változatlan marad:
- méter (hossz);
- másodperc (idő);
- kandela (fényintenzitás).
Változások az erősítővel
Mi az amper, mint a fizikai mennyiségek egysége ma a nemzetközi SI-rendszerben, 1946-ban javasolták. A meghatározást a két vezető közötti áram erősségéhez kötötték vákuumban egy méter távolságban, meghatározva ennek a szerkezetnek az összes árnyalatát. A pontatlanság és a nehézkes mérés a mai szemmel nézve ennek a definíciónak a két fő jellemzője.
Az új definícióban az amper egyenlő az elektromos árammalmeghatározott számú elektromos töltés áramlása másodpercenként. Az egységet elektrontöltésben fejezzük ki.
A frissített amper meghatározásához egyetlen eszközre van szükség - az úgynevezett egyelektronos szivattyúra, amely képes az elektronok mozgatására.
Új mol és szilícium tisztaság 99,9998%
A mól régi meghatározása a 0,012 kg tömegű szénizotóp atomjainak számával megegyező anyagmennyiségre vonatkozik.
Az új verzióban ez az anyag mennyisége, amelyet pontosan meghatározott számú meghatározott szerkezeti egység tartalmaz. Ezeket az egységeket az Avogadro-állandóval fejezzük ki.
Sok aggodalomra ad okot Avogadro száma is. Ennek kiszámításához úgy döntöttek, hogy létrehoznak egy szilícium-28 gömböt. A szilíciumnak ezt az izotópját a tökéletes kristályrács jellemzi. Ezért a benne lévő atomok száma egy gömb átmérőjét mérő lézerrendszer segítségével pontosan megszámolható.
Persze lehet vitatkozni amellett, hogy nincs alapvető különbség a szilícium-28-as gömb és a jelenlegi platina-iridium ötvözet között. Mind ez, mind más anyagok idővel atomokat veszítenek. Vesztes, igaz. A szilícium-28 azonban kiszámítható ütemben veszíti el ezeket, ezért folyamatosan módosítani kell a referenciát.
A gömbhöz való legtisztább szilícium-28-at nemrég szerezték be az Egyesült Államokban. Tisztasága 99,9998%.
És most Kelvin
A Kelvin a fizikai mennyiségek egyik mértékegysége a nemzetközi rendszerben, és a termodinamikai hőmérséklet szintjének mérésére szolgál. "Régi módon" egyenlő: 1/273, 16a víz hármaspontjának hőmérsékletének részei. A víz hármaspontja rendkívül érdekes összetevő. Ez az a hőmérséklet- és nyomásszint, amelyen a víz egyszerre három állapotban van – „gőz, jég és víz”.
A „mindkét lábon sántított” definíciója a következő ok miatt: a kelvin értéke elsősorban az elméletileg ismert izotóparányú víz összetételétől függ. De a gyakorlatban lehetetlen volt ilyen jellemzőkkel rendelkező vizet előállítani.
Az új kelvin a következőképpen lesz meghatározva: egy kelvin egyenlő a hőenergia 1,4 × 10−23j-vel történő változásával. Az egységeket a Boltzmann-állandóval fejezzük ki. Most a hőmérsékleti szint mérhető a hangsebesség rögzítésével a gázgömbben.
Kiló szabvány nélkül
Már tudjuk, hogy Párizsban létezik egy szabvány a platina irídiummal, amely valamilyen módon megváltoztatta a súlyát a metrológiában és a fizikai mennyiségek mértékegységeinek rendszerében való felhasználása során.
A kilogramm új meghatározása a következő: Egy kilogrammot Planck-állandó osztva 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
A tömegmérés most már elvégezhető a "watt" skálán. A név ne tévesszen meg, ezek nem a szokásos mérlegek, hanem elektromosság, ami elég egy, a mérleg másik oldalán fekvő tárgy felemeléséhez.
A fizikai mennyiségek mértékegységeinek megalkotásának elveiben és rendszerük egészében mindenekelőtt a tudomány elméleti területein van szükség. A frissített rendszer főbb tényezőimost természetes állandók.
Ez logikus következtetése egy komoly tudósokból álló nemzetközi csoport sokéves tevékenységének, akik hosszú ideig arra irányultak, hogy az alapvető fizika törvényein alapuló ideális méréseket és mértékegység-meghatározásokat találjanak.
