Новые эталоны килограмма, кельвина, ампера и моля
22.01.2019
16 ноября в Версале на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам принято решение о переходе на новые эталоны в рамках перехода к обновленной Международной системе единиц (SI).
Помимо килограмма, новое определение теперь получили еще три единицы:
- кельвин (единица термодинамической температуры),
- ампер (единица силы электрического тока)
- моль (единица измерения количества вещества).
На предыдущем этапе обновления системы SI были утверждены новые стандарты секунды (время), канделы (сила света) и метра (длина).
КИЛОГРАММ
Теперь килограмм будет определяться не весом эталона, а количеством электрической энергии, которое необходимо, чтобы сдвинуть с места объект весом в килограмм. Энергия, в свою очередь, будет рассчитываться на основе постоянной Планка.
Современное определение принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма».
При этом Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в городе Севр неподалёку от Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия).
Размер прототипа примерно соответствует размеру мяча для гольфа.
Проблема с эталоном килограмма состоит в том, что любые материалы могут терять атомы или, наоборот, пополняться атомами из окружающего пространства.
В частности, различные официальные копии эталонного килограмма, который хранится в Севре, отличаются по весу от официального эталона. Разница достигает 60 микрограмм.
Такие изменения произошли за более чем 100 лет с момента создания копий.
Эта проблема решается, если определить единицу измерения через другую физическую постоянную. Собственно, в новом определении килограмма так и сделано: здесь используется постоянная Планка.
Новое определение: 1 килограмм равен постоянной Планка, поделенной на 6,626070040 × 10−34 м2·с−1. Для выражения единицы требуется постоянная Планка.
КЕЛЬВИН
Современное определение: 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.
Тройная точка воды — строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Новое определение: 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии на 1,38064852 × 10−23 джоулей. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана.
Измерять точную температуру можно с помощью измерения скорости звука в сфере, заполненной газом. Скорость звука пропорциональна скорости перемещения атомов.
МОЛЬ
Современное определение: моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.
Новое определение: количество вещества системы, которая содержит 6,022140857 × 1023специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро).
Для эталона числа Авогадро — а через него и моля — учёные предлагают создать идеальную сферу из чистого кремния-28.
У этого вещества идеально точная кристаллическая решётка, так что количество атомов в сфере можно определить, если точно измерить диаметр сферы (с помощью лазерной системы).
В отличие от существующего куска платиново-иридевого сплава, скорость потери атомов кремния-28 точно предсказуема, что позволяет вносить коррективы в эталон.
АМПЕР
Современное определение: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютона».
Новое определение: электрический ток, соответствующий потоку 1/1,6021766208 × 10−19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона.
Метр с секундой ранее были определены через скорость света (свет проходит точно 299 792 458 метров за секунду) и излучение охлажденного атома цезия (строго 9 192 631 770 периодов излучения за секунду).
Самая значительная реформа в международной системе единиц (СИ) и переход на новые эталоны состоится в день празднования Дня метрологии, 20 мая 2019 года.
И тогда придётся принимать новые ГОСТы, а также внести исправления в учебники физики в школе и вузах.
Читайте также: Сертификационные испытания ЭКБ
