Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделеева.
Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, чересчур чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, данный прототип до сих пор служит всеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. В случае если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.
За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем данный прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр.
Размещено на реф.рф
В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. В случае если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия бывают очень трагичными. Ученые всего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.
Эталоны времени .
Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. К примеру, мобильная связь, мобильный телефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди все видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.
Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.
Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.
Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Далее данные всех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всего в одну наносекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.
ʼʼХранители времениʼʼ. Как бы загадочно должность этих специалистов ни звучала, атомные часы в Институте радиотехнических измерений, по которым сверяет стрелки вся страна, не выглядят фантастически. Хотя здесь оперируют нано и пико секундами, человеку почувствовать такую точность не дано.
ʼʼКогда говорят о точном времени, то в своей массе, на бытовом уровне, люди слышат, передающие сигналы проверки времени по радио ʼʼпи, пи, пиʼʼ, вот это точное время. На самом деле это время с нашей колокольни мало точное, очень скромной точности. Национальная шкала времени та͵ которую мы здесь формируем. Погрешность за сутки составляет приблизительно несколько стомиллиардных долей секунды в суткиʼʼ, Чтобы атомные часы убежали вперед или отстали на секунду, должны пройти миллионы лет. Главные потребители эталонного времени – сотовая связь и навигация.
ʼʼСовременные системы радионавигации пользуются электромагнитными сигналами, которые распространяются со скоростью светаʼʼ. За миллиардную долю секунды свет распространяется на 30 сантиметров. В случае если мы хотим с помощью ГЛОНАСС определять своё местоположение с метровой точностью, это значит, что вся система должна работать с погрешностью одну – две миллиардные доли секунды. GPS, ГЛОНАСС - ϶ᴛᴏ система спутников, которые предназначены для точного определения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR – американская группировка спутников, ГЛОНАСС – российская.
Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Полвека. Бурное развитие квантовой физики привело к тому, что в середине XX века появились первые атомные часы, а Международный комитет по мерам и весам принял решение перейти на атомный стандарт. Современный эталон времени - ϶ᴛᴏ цезиевый репер частоты. Прибор за стеклом, заходить в комнату нельзя, т.к. у прибора ʼʼтепличные условияʼʼ, они созданы специально для того, чтобы внешний мир не мешал работе. А если говорить о точности, то это десятимиллионная часть миллиардной доли секунды. Выговорить и осмыслить сложно. Казалось бы, что ещё в природе должна быть точнее? Оказывается, может - нейтронные звёзды. Пульсары или нейтронные звезды - это то, во что превращаются звёзды после своей гибели. Οʜᴎ взрываются, быстро закручиваются. Появляется шар с железной оболочкой и огромной силой притяжения, излучающий волны со строгой периодичностью. ʼʼЭлектрическое поле вырывает электроны прямо с поверхности звезды, а она железная, они летят, ускоряются и в направлении своего движения они излучают разные волныʼʼ. Пульсары открыли английские астрономы в 1967 году. Информация долго была секретной. Думали, что это сигнал внеземных цивилизаций. Ведь не могут природные объекты давать радиосигналы с такой частотой. Привлекали даже шифровальщиков. При этом гипотеза об искусственном происхождении вспышек не подтвердилась. ʼʼВ случае если бы мы захотели с кем-то вступить в контакт, - говорит Михаил Попов, - можно подавать позывные, они никакой информации не несут, импульсы, которые в жизни не должны образовываться. Пока не открыли пульсары, так думалиʼʼ. Идею, использовать пульсары для сверки земных часов, предложили российские ученые. Точность звёздных импульсов превосходит атомный эталон на несколько порядков. Получается, что вскоре, на вопрос: ʼʼКоторый час?ʼʼ человечеству будет отвечать Вселенная.
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.
Международный прототип без защитного чехла
В сентябре 2014 года исполняется 125 лет с момента появления на свет международного прототипа килограмма . Решение о создании эталона было принято на Генеральной конференции мер и весов 7-9 сентября 1889 года в Париже.
Он хранится в Международном бюро мер и весов около Парижа и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Такой состав выбран из-за высокой плотности платины, так что эталон можно сделать относительно маленького размера: меньше спичечного коробка по высоте.
Национальный прототип килограмма Великобритании в защитном корпусе, 18-я копия международного прототипа
Масса международного прототипа примерно соответствует 1 литру воды при температуре 4°C, а его вес зависит от высоты над уровнем моря и силы гравитации.
Когда изготовляли международный прототип, вместе с ним сделали 40 копий из того же платино-иридиевого сплава. Их разослали по национальным бюро мер и весов в разных странах, чтобы учёным не приходилось обращаться к основному эталону каждый раз для проведения измерений.
Национальные прототипы сверяют с основным прототипом каждые 40 лет. Последняя проверка проходила в 1989 году, и тогда максимальная разница в весе составила 50 микрограммов. Эти девиации беспокоят учёных. Они понимают, что масса конкретного образца изменяется со временем из-за физических повреждений и появления прочих артефактов.
Национальный прототип хранится в сейфе Национальной физической лаборатории
К сожалению, для международного прототипа нынешний юбилей, скорее всего, станет последним. Сейчас подходят к завершению два эксперимента по созданию более точных эталонов массы. Их цель - определить массу через естественную природную константу, а не через эталонный образец.
Один из экспериментов предполагает определение килограмма через постоянную Планка. Для этого измеряют ток, проходящий через [проводную] катушку в магнитном поле, по отношению к силе гравитации, действующей на килограмм, объясняют специалисты Национальной физической лаборатории Великобритании, где в честь 125-летия килограмма открыли праздничный раздел на сайте. Именно в Великобритании в 1975 году начали эксперимент по ватт-балансу, который сейчас продолжают в Канаде.
Другой метод предлагают немецкие специалисты: в рамках проекта Авогадро создают кремниевую сферу размером с грейпфрут, которая содержит около 50 септиллионов атомов кремния-28.
Кремниевая сфера Авогадро
Поскольку известны масса кремния и плотность вещества, то эталонное значение килограмма можно привязать к объёму сферы и, соответственно, к постоянной Авогадро.
Измерение массы сферы Авогадро
Килограмм остался последней единицей СИ, которая выражается через физический эталон. Это указывает на то, что 125 лет назад физики очень грамотно выбрали материал для изготовления прототипа. И даже если скоро его выведут из использования, он сослужил хорошую службу за эти годы.
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.
Эталон - это мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и передачи единиц какой-либо величины. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называется Государственным эталоном.
Краткая историческая справка
Человеку необходимо описывать окружающую его действительность, причем так, чтобы его понимали другие люди. Именно по этой причине все цивилизации создавали свои системы измерений.
Современная система измерений берет свое начало в XVIII во Франции . Именно тогда комиссия из известнейших ученых предложила свою десятичную метрическую систему мер. Первоначально в метрическую систему входили метр, квадратный метр, кубический метр и килограмм (масса 1 куб. дециметра воды при 4 °C), вместимости - литр, то есть 1 куб. дециметр, площадь земельных участков - ар (100 кв. метров) и тонна (1000 килограммов).
В 1875 году была подписана метрическая конвенция, целью которой было обеспечение международного единства метрической системы. На базе этой метрической системы возникали свои системы и единицы, которые плохо соотносились друг с другом, поэтому в 1960 была принята Международная система единиц SI (СИ). В СИ принято несколько основных единиц измерения: метр, килограмм, ампер, кельвин, кандела, моль, а также дополнительные единицы для измерения углов - радиан и стерадиан.
Эталон массы
Чтобы погрешность измерений была минимальной, ученые создают большие и сложные в эксплуатации комплексы. Тем не менее, эталон массы неизменен - это платиново-иридиевая гиря, изготовленная в 1889 году. Всего было изготовлено 42 эталона, два из которых отправились в Россию .
Эталон килограмма хранится в Санкт-Петербурге , во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева (именно он был инициатором принятия Россией французской метрической системы). Эталон стоит на кварцевой подставке, под двумя стеклянными колпаками (чтобы исключить попадание пыли), внутри стального сейфа. Эталонные весы, которые являются частью эталона, стоят на особом фундаменте. Эта конструкция весит 700 тонн и не связана со стенами здания, чтобы вибрации не искажали измерений.
Температура и влажность поддерживаются на неизменном уровне, а все операции ведутся с помощью манипуляторов, чтобы исключить влияние температуры тела и случайных частыц впроде пылы, при использовании человеческого труда. Погрешность эталона массы России не превышает 0,002 мг.
Сущность измерительной операции осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия, но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.
Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах.
Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.
Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма.
Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.