Takrifan kilogram yang berkuat kuasa sehingga Mei 2019 telah diterima pakai oleh Persidangan Agung Ketiga mengenai Timbang dan Sukat (GCPM) pada tahun 1901 dan dirumuskan seperti berikut:
Kilogram ialah unit jisim yang sama dengan jisim prototaip antarabangsa bagi kilogram.
Kilogram kekal sebagai unit SI terakhir yang ditakrifkan berdasarkan objek buatan manusia. Walau bagaimanapun, Persidangan Agung XXVI mengenai Timbang dan Sukat (13 - 16 November 2018) meluluskan takrifan baharu kilogram, berdasarkan penetapan nilai berangka pemalar Planck. Keputusan itu akan berkuat kuasa pada 20 Mei 2019. Dalam kes ini, dari sudut praktikal, nilai kilogram tidak akan berubah, tetapi "prototaip" (standard) yang sedia ada tidak lagi menentukan kilogram, tetapi akan menjadi berat yang sangat tepat dengan ralat yang mungkin boleh diukur.
Prototaip Kilogram
Kilogram dan pemalar Planck
Kedua-dua formula ini, yang ditemui pada awal abad ke-20, mewujudkan kemungkinan teori mengukur jisim melalui tenaga foton individu, tetapi eksperimen praktikal yang menghubungkan jisim dan pemalar Planck hanya muncul pada akhir abad ke-20.
U 1 I 2 = m g v 1 , (\displaystyle U_(1)I_(2)=mgv_(1),)di mana U 1 I 2 (\displaystyle U_(1)I_(2))- hasil darab arus elektrik semasa mengimbangi jisim dan voltan semasa proses penentukuran, - hasil darab pecutan graviti g (\gaya paparan g) dan kelajuan gegelung v 1 (\displaystyle v_(1)) semasa penentukuran skala. Jika g v 1 (\displaystyle gv_(1)) diukur secara bebas dengan ketepatan yang tinggi (kepraktisan eksperimen juga memerlukan pengukuran frekuensi berketepatan tinggi), persamaan sebelumnya pada dasarnya menentukan kilogram bergantung pada nilai watt (atau sebaliknya). Indeks U 1 (\displaystyle U_(1)) Dan I 2 (\displaystyle I_(2)) diperkenalkan untuk menunjukkan bahawa ia adalah kuasa maya (pengukuran voltan dan arus diambil pada masa yang berbeza), mengelakkan kesan kerugian (yang boleh disebabkan, sebagai contoh, oleh arus Foucault teraruh).
Sambungan antara watt dan pemalar Planck menggunakan kesan Josephson dan kesan Hall kuantum:
Kerana ia I 2 = U 2 R (\displaystyle I_(2)=(\frac (U_(2))(R))), Di mana R (\displaystyle R)- rintangan elektrik, U 1 I 2 = U 1 U 2 R (\displaystyle U_(1)I_(2)=(\frac (U_(1)U_(2))(R))); Kesan Josephson: U (n) = n f (h 2 e) (\displaystyle U(n)=nf\left((\frac (h)(2e))\kanan)); kesan Dewan kuantum: R (i) = 1 i (h e 2) (\displaystyle R(i)=(\frac (1)(i))\left((\frac (h)(e^(2)))\kanan)),
di mana n (\gaya paparan n) Dan i (\gaya paparan i)- integer (yang pertama dikaitkan dengan langkah Shapiro, yang kedua ialah faktor pengisian dataran tinggi kesan Hall kuantum), f (\gaya paparan f)- kekerapan daripada kesan Josephson, e (\gaya paparan e)- cas elektron. Selepas menggantikan ungkapan untuk U (\displaystyle U) Dan R (\displaystyle R) menjadi formula untuk kuasa dan menggabungkan semua pekali integer menjadi satu pemalar C (\displaystyle C), jisim ternyata berkaitan secara linear dengan pemalar Planck:
m = C f 1 f 2 h g v 1 (\displaystyle m=Cf_(1)f_(2)(\frac (h)(gv_(1)))).Oleh kerana semua kuantiti lain dalam persamaan ini boleh ditentukan secara bebas daripada jisim, ia boleh diambil untuk mentakrifkan unit jisim selepas menetapkan nilai 6.62607015×10−34 untuk pemalar Planck.
Etimologi dan penggunaan
Perkataan "kilogram" berasal daripada perkataan Perancis " kilogram", yang seterusnya terbentuk daripada perkataan Yunani " χίλιοι » ( cilioi), yang bermaksud "seribu" dan " γράμμα » ( tatabahasa), yang bermaksud "ringan" Perkataan " kilogram"Dimaktubkan dalam bahasa Perancis pada tahun 1795. Ejaan Perancis perkataan itu dibawa ke Britain, di mana ia pertama kali digunakan pada tahun 1797, manakala di AS perkataan itu mula digunakan dalam bentuk " kilogram", yang kemudiannya menjadi popular di Great Britain, Peraturan mengenai Timbang dan Sukat (Bahasa Inggeris. Akta Timbang dan Sukat) tidak melarang penggunaan kedua-dua ejaan di UK.
Pada abad ke-19, singkatan Perancis " sekilo" telah dipinjam ke dalam bahasa Inggeris, di mana ia digunakan untuk menandakan kedua-dua kilogram dan kilometer.
Sifat jisim
Satu kilogram ialah unit jisim, kuantiti yang berkaitan dengan idea umum orang tentang betapa beratnya sesuatu. Dalam istilah fizik, jisim mencirikan dua sifat berbeza jasad: interaksi graviti dengan jasad lain dan inersia. Sifat pertama dinyatakan oleh undang-undang graviti sejagat: tarikan graviti adalah berkadar terus dengan hasil jisim. Inersia dicerminkan dalam hukum pertama Newton (kelajuan objek kekal tidak berubah sehingga mereka bertindak oleh daya luar) dan hukum kedua: a = F/m; iaitu objek berjisim m 1 kg akan mendapat pecutan a pada 1 meter sesaat sesaat (kira-kira satu per sepuluh daripada pecutan graviti akibat graviti Bumi) apabila daya (atau paduan semua daya) 1 newton bertindak ke atas objek itu. Menurut konsep moden, jisim graviti dan inersia adalah setara.
Oleh kerana perdagangan dan perdagangan biasanya berurusan dengan objek yang jisimnya jauh lebih besar daripada satu gram, dan memandangkan piawaian jisim yang diperbuat daripada air akan menyusahkan untuk dikendalikan dan diselenggara, ia telah diperintahkan untuk mencari cara untuk melaksanakan penentuan sedemikian secara praktikal. Dalam hal ini, piawaian jisim sementara dibuat dalam bentuk objek logam seribu kali lebih berat daripada gram - 1 kg.
Ahli kimia Perancis Louis Lefebvre-Ginot Louis Lefèvre-Gineau) dan naturalis Itali Giovanni Fabbroni (eng. kilogram des Archives Pada tahun 1889, takrif antarabangsa bagi kilogram telah diterima pakai sebagai jisim prototaip antarabangsa bagi kilogram; takrifan ini akan terus digunakan sehingga Mei 2019.
Salinan prototaip antarabangsa bagi kilogram juga dibuat: enam (setakat ini) salinan rasmi; beberapa piawaian kerja, digunakan, khususnya, untuk mengesan perubahan jisim prototaip dan salinan rasmi; dan piawaian kebangsaan, ditentukur terhadap piawaian kerja. Dua salinan piawaian antarabangsa telah dipindahkan ke Rusia; ia disimpan di Institut Penyelidikan Metrologi All-Russian. Mendeleev.
Sepanjang masa yang telah berlalu sejak pengeluaran standard antarabangsa, ia telah dibandingkan beberapa kali dengan salinan rasmi. Pengukuran menunjukkan peningkatan dalam jisim salinan berbanding standard dengan purata 50 μg setiap 100 tahun. Walaupun perubahan mutlak dalam jisim piawaian antarabangsa tidak dapat ditentukan menggunakan kaedah pengukuran sedia ada, ia pastinya mesti berlaku. Untuk menganggarkan magnitud perubahan mutlak dalam jisim prototaip antarabangsa kilogram, adalah perlu untuk membina model yang mengambil kira hasil perbandingan jisim prototaip itu sendiri, salinan rasmi dan piawaian kerjanya (walaupun biasanya piawaian yang terlibat dalam perbandingan biasanya telah dicuci dan dibersihkan terlebih dahulu, tetapi tidak selalu), yang merumitkan lagi kekurangan pemahaman yang lengkap tentang punca perubahan besar-besaran. Ini membawa kepada pemahaman tentang keperluan untuk beralih daripada mentakrifkan kilogram berdasarkan objek material.
Pada tahun 2011, Persidangan Agung XXIV mengenai Timbang dan Sukat menerima pakai Resolusi yang mencadangkan agar semakan masa hadapan Sistem Unit Antarabangsa (SI) terus mentakrifkan semula unit asas supaya ia tidak berasaskan artifak buatan manusia, tetapi pada pemalar fizikal asas. atau sifat atom . Khususnya, adalah dicadangkan bahawa "kilogram akan kekal sebagai unit jisim, tetapi nilainya akan ditentukan dengan menetapkan nilai berangka pemalar Planck betul-betul sama dengan 6.626 06X⋅10 −34 apabila dinyatakan dalam unit SI m 2 kg s −1, yang sama dengan J Dengan". Resolusi menyatakan bahawa sejurus selepas cadangan takrifan semula kilogram, jisim prototaip antarabangsanya akan bersamaan dengan 1 kg, tetapi nilai ini akan memperoleh ralat dan kemudiannya akan ditentukan secara eksperimen. Takrifan kilogram ini menjadi mungkin berkat kemajuan fizik pada abad ke-20.
Pada tahun 2014, perbandingan luar biasa jisim prototaip antarabangsa kilogram, salinan rasmi dan piawaian kerjanya telah dijalankan; keputusan perbandingan ini adalah asas untuk nilai yang disyorkan bagi pemalar asas CODATA 2014 dan 2017, di mana takrifan baharu kilogram pula berdasarkan.
Keputusan itu akan berkuat kuasa pada Hari Metrologi Sedunia pada 20 Mei 2019.
Menariknya, jisim 1 m³ air suling pada 4 °C dan tekanan atmosfera, diambil sebagai tepat 1000 kilogram dalam definisi sejarah 1799, dan menurut definisi moden adalah kira-kira 1000.0 kilogram.
Gandaan dan gandaan kecil
Atas sebab sejarah, nama "kilogram" sudah mengandungi awalan perpuluhan "kilo", jadi gandaan dan subganda dibentuk dengan melampirkan awalan SI standard pada nama atau penunjukan unit ukuran "gram" (yang dalam sistem SI itu sendiri gandaan kecil: 1 g = 10 − 3 kg).
Unit ukuran bahan tertua hari ini ialah piawai jisim. Takrif antarabangsa bagi kilogram ideal tidak berubah sejak 1875. Satu kilogram ditakrifkan sebagai berat satu desimeter padu air pada ketumpatan tertingginya, pada suhu 4 darjah. Di Rusia, satu salinan kilogram ideal disimpan di Institut Penyelidikan Metrologi St. Petersburg dinamakan sempena. D.I. Mendeleeva.
Satu desimeter padu air dari Parisian River Seine telah diabadikan dalam prototaip platinum-iridium. Platinum tulen tidak teroksida dan mempunyai ketumpatan dan kekerasan yang lebih besar. Tetapi platinum bukanlah logam yang ideal; ia bertindak balas terlalu sensitif terhadap perubahan suhu. Masalahnya diselesaikan dengan menambah iridium. 90% platinum dan 10% iridium menjadi bahan yang sempurna untuk menyimpan pemberat pada abad ke-19. Anehnya, prototaip ini masih berfungsi sebagai standard berat universal. Walaupun ketepatannya tidak setinggi standard lain yang lebih moden. Jika unit masa dihasilkan semula dengan ralat beberapa unit digit ke-16, maka, katakan, kuantiti seperti elektrik, kilogram yang sama, kuantiti terma yang sama, ini adalah seperti angka kesembilan, kelapan. Iaitu, perbezaannya adalah 6-7 pesanan magnitud, iaitu, berpuluh-puluh juta kali. Kilogram adalah standard yang paling bermasalah di dunia. Walaupun penyimpanan yang teliti, kettlebell tugas berat berubah secara beransur-ansur dalam berat.
Sepanjang 100 tahun yang lalu, berbanding dengan piawaian antarabangsa, prototaip antarabangsa, yang disimpan di Paris, piawaian kilogram Rusia telah berubah kepada 30 mikrogram. Penyejatan dan kehausan mekanikal berlaku dari permukaan logam; atom oksigen, hidrogen, dan logam berat dimendapkan pada logam. Selagi kita menggunakan prototaip ini, ini tidak boleh dielakkan. Apakah akibat penyelewengan daripada standard berat 30 mikrogram? Apakah satu mikrogram? Seperseribu miligram atau sepersejuta gram? 500 mikrogram epal biasa ialah 1 milimeter padu.
Dihantar pada ref.rf
Dalam bidang perdagangan isi rumah, tiada siapa yang akan melihat perubahan sedemikian. Perkara lain ialah farmaseutikal. Sekiranya terdapat kesilapan dalam pembuatan ubat sebanyak satu miligram, akibatnya boleh menjadi sangat tragis. Para saintis di seluruh dunia sedang berusaha untuk mencipta piawaian jisim yang dikemas kini - bola silikon ultra tulen. Silikon mempunyai kekisi kristal yang ideal. Menggunakan mikroskop daya, ahli metrologi akan menentukan bilangan tepat atom dalam satu kilogram silikon.
Piawaian masa.
Sudah, orang moden berhadapan setiap minit dengan operasi peranti metrologi yang paling kompleks, tanpa mengetahuinya. Contohnya, komunikasi mudah alih, telefon bimbit. . Siapa pernah tertanya-tanya mengapa ia berfungsi? Saya menekan butang - ia berfungsi. Untuk membolehkan komunikasi mudah alih berfungsi, stesen sel ini, menara yang masih dilihat orang ramai, mesti disegerakkan dengan ketat antara satu sama lain, iaitu, dipautkan dalam masa. Dan masa ini untuk memastikan kefungsian komunikasi mudah alih berada dalam sepersejuta saat.
Orang mengukur masa dengan revolusi benda angkasa sehingga pertengahan abad ke-20. Tetapi kaedah ini ternyata jauh dari ideal. Bumi semakin perlahan dalam putarannya. Lebih-lebih lagi, ia tidak berputar agak sama rata. Iaitu, secara kasar bercakap, kadang-kadang lebih cepat, kadang-kadang lebih perlahan. Metrologi menghadapi persoalan: bagaimana untuk mengira dan menyimpan selang masa yang tepat? Pada tahun 1967, satu piawaian baru telah dicipta.
Ini adalah 9 bilion 192 juta 631 ribu 770 tempoh sinaran atom cesium 133 dalam keadaan dasar. Apabila begitu banyak tempoh sinaran dikira, ini adalah satu saat. Dan terdapat peranti, peranti khusus, pemasangan fizikal yang melaksanakan ini. Kenapa cesium? Ia adalah yang paling tidak sensitif terhadap pengaruh luar. Di Rusia, piawaian masa utama disimpan di Institut Penyelidikan Moscow Pengukuran Kejuruteraan Fizikal, Teknikal dan Radio. Satu set peranti yang sangat kompleks - penjaga kedua-dua skala kekerapan dan masa - bertanggungjawab untuk menentukan masa yang tepat. Piawaian masa Rusia adalah salah satu piawaian dunia terbaik. Kesilapan relatifnya tidak lebih daripada 1 saat dalam setengah juta tahun.
Hanya ciptaan piawaian masa jam atom yang memungkinkan untuk mencipta sistem navigasi yang paling kompleks: GPS dan Glonass. Agar pergerakan di jalan raya menjadi mudah, sistem mesti menentukan kedudukan kereta dalam satu meter. Satu meter untuk satelit ialah 3 bilion saat. Maklumat tentang pergerakan kenderaan sedang dikemas kini pada kelajuan yang luar biasa. Menggunakan isyarat satelit, ahli metrologi di seluruh dunia menukar data pada masa yang tepat. Pemasangan merekodkan perbezaan dalam bacaan jam makmal dan satelit. Seterusnya, data daripada semua makmal dibandingkan menggunakan program khas. Hasilnya ialah masa atom antarabangsa yang disegerakkan. Kompleks satelit yang terletak berhampiran Moscow menghantar data ke angkasa dengan ralat hanya satu nanosaat, iaitu satu bilion saat biasa.
ʼʼPenjaga masaʼʼ. Tidak kira betapa misterinya kedudukan pakar ini, jam atom di Institut Pengukuran Kejuruteraan Radio, yang mana seluruh negara memeriksa tangan mereka, tidak kelihatan hebat. Walaupun ia beroperasi di sini dalam nano dan pico saat, seseorang tidak dapat merasakan ketepatan sedemikian.
"Apabila mereka bercakap tentang masa yang tepat, maka sebahagian besarnya, pada peringkat harian, orang mendengar isyarat menghantar untuk memeriksa masa di radio, "pi, pi, pi," ini adalah masa yang tepat. Sebenarnya, kali ini dari menara loceng kami tidak begitu tepat, ketepatan yang sangat sederhana. Skala masa kebangsaan ialah yang kami cipta di sini. Ralat setiap hari adalah kira-kira beberapa ratus bilion sesaat setiap hari Ia mengambil masa berjuta-juta tahun untuk satu jam atom bergerak ke hadapan atau ketinggalan sesaat. Pengguna utama masa rujukan ialah komunikasi selular dan navigasi.
"Sistem navigasi radio moden menggunakan isyarat elektromagnet yang bergerak pada kelajuan cahaya." Dalam sepersejuta saat, cahaya bergerak sejauh 30 sentimeter. Jika kami ingin menggunakan GLONASS untuk menentukan lokasi kami dengan ketepatan meter, ini bermakna keseluruhan sistem mesti beroperasi dengan ralat satu hingga dua bilion saat. GPS, GLONASS - sistem satelit yang direka untuk menentukan koordinat geografi dan masa yang tepat dengan tepat. GPS, atau dipanggil NAVSTAR, ialah buruj satelit Amerika, GLONASS ialah Rusia.
Masa atom sama tua dengan angkasawan. Setengah abad. Perkembangan pesat fizik kuantum membawa kepada kemunculan jam atom pertama pada pertengahan abad ke-20, dan Jawatankuasa Antarabangsa mengenai Timbang dan Sukat memutuskan untuk beralih kepada piawaian atom. Piawaian masa moden ialah rujukan kekerapan cesium. Peranti berada di belakang kaca, anda tidak boleh masuk ke dalam bilik, kerana... Peranti ini mempunyai "keadaan rumah hijau", ia dicipta khusus supaya dunia luar tidak mengganggu kerja. Dan jika kita bercakap tentang ketepatan, maka ini adalah sepuluh juta daripada satu bilion saat. Sukar untuk disebut dan difahami. Nampaknya apakah sifat semula jadi yang lebih tepat? Ternyata, mungkin bintang neutron. Pulsar atau bintang neutron ialah bintang yang bertukar menjadi selepas mereka mati. Οʜᴎ meletup, cepat berputar. Bola muncul dengan cangkerang besi dan daya tarikan yang besar, memancarkan gelombang dengan berkala yang ketat. "Medan elektrik menarik keluar elektron terus dari permukaan bintang, dan ia adalah besi, mereka terbang, memecut, dan ke arah pergerakan mereka mengeluarkan gelombang yang berbeza." Pulsar ditemui oleh ahli astronomi Inggeris pada tahun 1967. Maklumat itu dirahsiakan untuk masa yang lama. Mereka menyangka ia adalah isyarat daripada tamadun luar angkasa. Lagipun, objek semula jadi tidak boleh menghasilkan isyarat radio dengan frekuensi sedemikian. Mereka juga membawa masuk kriptografi. Walau bagaimanapun, hipotesis mengenai asal tiruan wabak itu tidak disahkan. "Jika kami ingin berhubung dengan seseorang," kata Mikhail Popov, "kita boleh menghantar tanda panggilan, mereka tidak membawa apa-apa maklumat, impuls yang tidak sepatutnya dibentuk dalam kehidupan. Sehingga pulsar ditemui, mereka fikir begitu. Idea menggunakan pulsar untuk menyegerakkan jam bumi telah dicadangkan oleh saintis Rusia. Ketepatan denyutan bintang melebihi piawai atom dengan beberapa urutan magnitud. Ternyata tidak lama lagi Alam Semesta akan menjawab soalan: "Pukul berapa sekarang?"
Rujukan- ialah ukuran atau alat pengukur yang digunakan untuk menghasilkan semula, menyimpan dan menghantar unit sebarang kuantiti. Piawaian yang diluluskan sebagai piawai rujukan untuk negara dipanggil Piawaian Negeri.
Latar belakang sejarah ringkas
Seseorang perlu menggambarkan realiti di sekelilingnya, dan dengan cara yang orang lain memahaminya. Atas sebab inilah semua tamadun mencipta sistem pengukuran mereka sendiri.
Sistem pengukuran moden bermula pada abad ke-18 di Perancis. Pada masa itu, suruhanjaya saintis terkenal mencadangkan sistem ukuran metrik perpuluhan mereka sendiri. Pada mulanya, sistem metrik termasuk meter, meter persegi, meter padu dan kilogram (jisim 1 desimeter padu air pada 4 °C), kapasiti - liter, iaitu, 1 meter padu. desimeter, keluasan tanah - adalah (100 meter persegi) dan tan (1000 kilogram).
Pada tahun 1875, Konvensyen Metrik telah ditandatangani, yang tujuannya adalah untuk memastikan perpaduan antarabangsa sistem metrik. Berdasarkan sistem metrik ini, sistem dan unit mereka sendiri timbul, yang tidak berkait rapat antara satu sama lain, jadi pada tahun 1960 Sistem Antarabangsa Unit SI (SI) telah diterima pakai. SI menggunakan beberapa unit ukuran asas: meter, kilogram, ampere, kelvin, candela, mol, serta unit tambahan untuk mengukur sudut - radian dan steradian.
Piawaian jisim
Untuk memastikan ralat pengukuran pada tahap minimum, saintis mencipta kompleks yang besar dan sukar untuk digunakan. Walau bagaimanapun, standard jisim kekal tidak berubah - ia adalah berat platinum-iridium yang dibuat pada tahun 1889. Sebanyak 42 piawaian dihasilkan, dua daripadanya pergi ke Rusia.
Piawaian kilogram disimpan di St. Petersburg, di VNIIM dinamakan selepas. D.M. Mendeleev (dialah yang memulakan penerimaan sistem metrik Perancis oleh Rusia). Standard berdiri di atas kaki kuarza, di bawah dua penutup kaca (untuk mengelakkan habuk daripada masuk), di dalam peti besi keluli. Skala rujukan, yang merupakan sebahagian daripada piawai, berdiri di atas asas khas. Struktur ini mempunyai berat 700 tan dan tidak disambungkan ke dinding bangunan supaya getaran tidak memesongkan ukuran.
Suhu dan kelembapan dikekalkan pada tahap yang tetap, dan semua operasi dijalankan menggunakan manipulator untuk menghapuskan pengaruh suhu badan dan zarah habuk rawak apabila menggunakan tenaga manusia. Kesilapan piawaian jisim Rusia tidak melebihi 0.002 mg.
Intipati operasi mengukur tetap sama dan turun untuk membandingkan dua jisim semasa menimbang. Skala ultra-sensitif telah dicipta, ketepatan penimbangan semakin meningkat, berkat penemuan saintifik baru yang muncul, tetapi standard jisim masih menjadi punca sakit kepala untuk ahli metrologi di seluruh dunia.
Kilogram sama sekali tidak berkaitan dengan pemalar fizikal atau dengan sebarang fenomena semula jadi. Oleh itu, piawaian dilindungi dengan lebih berhati-hati daripada biji mata - secara literal, mereka tidak membenarkan setitik debu hinggap di atasnya, kerana setitik habuk sudah menjadi beberapa bahagian pada skala sensitif.
Prototaip antarabangsa piawaian dikeluarkan dari simpanan tidak lebih daripada sekali setiap lima belas tahun, yang Rusia - sekali setiap lima tahun. Semua kerja dijalankan dengan piawaian sekunder (hanya mereka boleh dibandingkan dengan yang utama); dari piawaian sekunder, nilai jisim dipindahkan ke piawaian kerja, dan dari mereka ke set berat standard.
Tahun berlalu, dan kilogram standard menjadi lebih kurus atau lebih gemuk. Pada asasnya mustahil untuk menentukan apa sebenarnya yang berlaku padanya - kesamaan semua piawaian massa adalah merugikan di sini. Oleh itu, banyak makmal metrologi di seluruh dunia sedang mencari cara baharu secara intensif untuk mencipta dan menentukan piawaian kilogram.
Sebagai contoh, terdapat idea untuk mengikatnya kepada volt dan ohm, unit ukuran kuantiti elektrik, dan menimbangnya menggunakan unit piawai arus - skala ampere. Secara teorinya, seseorang boleh membayangkan piawaian kilogram dalam bentuk kristal ideal yang mengandungi bilangan atom yang diketahui bagi unsur kimia tertentu (lebih tepat lagi, salah satu isotopnya). Tetapi kaedah untuk mengembangkan kristal tersebut belum diketahui.
Agensi Pendidikan Persekutuan
Institusi pendidikan pendidikan profesional tinggi negeri
UNIVERSITI PERSEKUTUAN SIBERIAN
INSTITUT POLITEKNIK
Jabatan Kejuruteraan Instrumen dan Telekomunikasi
ABSTRAK
STANDARD UNTUK PANJANG DAN BERAT BADAN
Selesai:
st gr. R 54-2
A. E. Shamova
Disemak:
cikgu
Krasnoyarsk 2007
Standard ialah alat pengukur (satu set alat pengukur) yang direka untuk menghasilkan semula dan menyimpan unit kuantiti dan memindahkan saiznya kepada alat pengukur lain yang kurang tepat.
Piawaian antarabangsa disimpan di Biro Timbang dan Sukat Antarabangsa, yang terletak di Sèvres, pinggir bandar Paris. Selaras dengan perjanjian antarabangsa, dengan bantuan mereka, perbandingan piawaian kebangsaan negara yang berbeza dijalankan secara berkala, termasuk perbandingan bersama piawaian kebangsaan. Sebagai contoh, piawaian meter dan kilogram kebangsaan dibandingkan sekali setiap 20-25 tahun, dan piawaian volt dan ohm dibandingkan sekali setiap tiga tahun.
Unit standard panjang.
Pada tahun 1971, Perhimpunan Kebangsaan Perancis mengguna pakai panjang sepuluh per satu perempat arka meridian Paris sebagai unit panjang, meter. Pada masa itu di Perancis toise digunakan sebagai unit panjang. Nisbah antara meter dan toise ternyata sama 1 m = 0.513074 toise.
Tetapi sudah pada tahun 1837, saintis Perancis menetapkan bahawa satu perempat daripada meridian mengandungi bukan 10 juta, tetapi 10 juta 856 m Sekitar tempoh masa yang sama, ia menjadi jelas bahawa bentuk dan saiz Bumi berubah dari semasa ke semasa. Oleh itu, pada tahun 1872, atas inisiatif Akademi Sains St. Petersburg, sebuah suruhanjaya antarabangsa telah diwujudkan, yang memutuskan untuk tidak membuat piawaian meter yang dikemas kini, tetapi menerima meter Arkib Perancis sebagai unit awal panjang.
Pada tahun 1889, piawaian 31 meter telah dihasilkan dalam bentuk rod platinum-iridium keratan rentas berbentuk X, yang, seperti berikut dari pertimbangan nasi. 1 sesuai dengan segi empat sama.
Panjang pembaris ialah 102 cm Tiga lejang dikenakan pada setiap hujungnya pada jarak 0.5 mm antara satu sama lain. Oleh itu, jarak antara lejang tengah ialah 1 m.
Kesilapan meter garis platinum-iridium ialah. Sudah pada awal abad ke-20. ralat ini ternyata agak besar, tidak memenuhi keperluan untuk ukuran panjang.
Pada tahun 1960, Persidangan Agung XI mengenai Timbang dan Sukat mengguna pakai takrifan baharu meter: meter ialah panjang yang sama dengan 1650763,73
panjang gelombang dalam vakum sinaran sepadan dengan peralihan antara tahap 
Dan 
atom kripton-86.
Piawaian meter kripton terdiri daripada lampu nyahcas gas yang diisi dengan krypton-86 yang diletakkan di dalam kelalang Dewar yang mengandungi nitrogen cecair ( nasi. 2). Apabila voltan elektrik +1500 digunakan dalam lampu, cahaya atom krypton-86 teruja terbentuk. Kapilari di mana cahaya berlaku (dengan diameter dalaman kira-kira 3 mm) mempunyai output optik kepada pembanding fotoelektrik gangguan automatik. Menggunakan pembanding gangguan, jarak antara garis ditentukan, yang memungkinkan untuk mencari bilangan panjang gelombang yang sesuai di antara garis tengah pembaris ( nasi. 1). Sebenarnya, bukan keseluruhan bilangan panjang gelombang yang "sesuai" dalam satu meter ditentukan, tetapi perbezaan antara panjang yang diukur dan panjang rujukan yang dihasilkan semula oleh lampu nyahcas gas dianggarkan. Panjang gelombang dan ciri tenaga cahaya diukur menggunakan spektrointerferometer.
Ralat dalam menghasilkan semula meter, dianggarkan oleh sisihan piawai hasil pengukuran, menggunakan piawaian ini menurun dengan ketara berbanding ralat prototaip platinum-iridium meter dan berjumlah 
.
Standard meter baru.
Meningkatkan ketepatan standard panjang menjadi mungkin dengan kemungkinan memanjangkan pengukuran frekuensi mutlak (dalam spektrum frekuensi radio ayunan) ke julat optik dan pembangunan laser yang sangat stabil, yang memungkinkan untuk menjelaskan nilai kelajuan ringan. Pada tahun 1983, Persidangan Agung XVII mengenai Timbang dan Sukat mengguna pakai definisi baru meter: "Meter ialah panjang laluan yang dilalui oleh cahaya dalam vakum dalam 1/299,792,458 saat (tepat)." Takrifan meter ini pada asasnya berbeza daripada takrifan 1960: meter "kripton" tidak berkaitan secara langsung dengan masa, meter baharu adalah berdasarkan unit masa piawai - nilai kedua dan nilai kelajuan cahaya yang diketahui.
Untuk beberapa tahun akan datang, metrologi dan teknologi akan menggunakan kelajuan nilai cahaya yang ditetapkan oleh Persidangan Agung XVII mengenai Timbang dan Sukat.
Pada masa ini, untuk memastikan tahap penstabilan yang tinggi bagi parameter paling penting sinaran laser - frekuensi, laser helium-neon pada panjang gelombang sinaran digunakan secara meluas. 
µm (kawasan inframerah spektrum) dan 
µm (kawasan spektrum yang boleh dilihat), masing-masing distabilkan oleh penyerapan tepu dalam metana ( Bukan-Ne/CH 4
) dan iodin molekul ( Bukan-Ne/I 2
).
Laser berdasarkan ( Bukan-Ne/CH 4 ) dari segi kebolehulangan frekuensi, ia hampir dengan piawaian cesium, yang merupakan asas piawaian masa dan kekerapan. Beroperasi dalam julat spektrum yang boleh dilihat Bukan-Ne/I 2 Laser membolehkan definisi baru meter melalui kelajuan cahaya dalam vakum. Kehadiran sinaran pada dua panjang gelombang (µm dan µm) memungkinkan untuk memastikan ketepatan pengukuran yang tinggi menggunakan interferometer. Yang kedua diterbitkan semula menggunakan piawaian frekuensi cesium dalam julat gelombang mikro ayunan elektromagnet, dan meter baharu dihasilkan semula dalam julat frekuensi optik, iaitu beberapa susunan magnitud yang lebih tinggi daripada frekuensi yang digunakan dalam piawaian masa dan frekuensi. Oleh itu, "jambatan" diperlukan untuk menghantar frekuensi rujukan standard cesium ke bahagian optik julat.
Satu set peralatan untuk "memindahkan" pengukuran frekuensi dalam piawaian masa "frekuensi radio" untuk mengukur kekerapan laser yang sangat stabil (dalam julat optik) dipanggil jambatan frekuensi radio-optik (ROFB). ROFM memungkinkan untuk mendapatkan ketepatan tertinggi dalam mengukur kelajuan cahaya dalam vakum dan menganggapnya sebagai pemalar fizikal asas, dan merupakan asas untuk penciptaan piawaian tunggal frekuensi - masa - panjang. Piawaian ini termasuk piawaian masa dan kekerapan, peralatan RFCM, serta piawaian meter baharu, termasuk Ne-Ne laser, interferometer perbandingan panjang gelombang Bukan-Ne/CH 4
laser dan Bukan-Ne/I 2
laser, interferometer yang secara langsung membentuk unit panjang - satu meter. Piawaian ini mempunyai ralat pembiakan dalam bentuk sisihan piawai hasil pengukuran kira-kira 
, komponen sistematik tidak melebihi 
, iaitu, lebih daripada tiga susunan magnitud kurang daripada ralat dalam pembiakan meter menggunakan meter "kripton".
Unit piawai jisim.
Prototaip antarabangsa bagi kilogram telah diluluskan pada Persidangan Agung Pertama mengenai Timbang dan Sukat pada tahun 1889 sebagai prototaip unit jisim, walaupun pada masa itu tidak ada perbezaan yang jelas antara konsep jisim dan berat, dan oleh itu piawaian jisim. sering dipanggil standard berat.
Standard termasuk:
Salinan prototaip antarabangsa kilogram (No. 12), iaitu berat platinum-iridium dalam bentuk silinder lurus dengan rusuk bulat dengan diameter dan ketinggian 39 mm. Prototaip kilogram disimpan di VNIIM yang dinamakan selepas itu. D.I. Mendeleev (St. Petersburg) pada kaki kuarza di bawah dua penutup kaca dalam peti besi keluli. Piawaian disimpan sambil mengekalkan suhu udara dalam (20±3)°C dan kelembapan relatif 65%. Untuk mengekalkan piawaian, dua piawaian menengah dibandingkan dengannya setiap 10 tahun. Ia digunakan untuk menyampaikan lagi saiz kilogram;
Penimbang prismatik lengan sama untuk 1 kg No. 1 dengan alat kawalan jauh (untuk menghapuskan pengaruh operator pada suhu ambien), dikeluarkan oleh Ruprecht, dan penimbang moden sama lengan untuk 1 kg No. 2, dikeluarkan di VNIIM . D. I. Mendeleev. Skala No. 1 dan No. 2 berfungsi untuk memindahkan saiz unit jisim daripada prototaip No. 12 kepada piawaian sekunder.
hidup nasi. 3 Piawaian kilogram dalam bentuk moden ditunjukkan. Di sebelah kanan dalam rajah, peranti pelindung kaca litar dua ditunjukkan bersama-sama dengan prototaip kilogram No. 12.
Ralat dalam menghasilkan semula kilogram, yang dinyatakan oleh sisihan piawai hasil pengukuran, ialah 
.
Lebih 100 tahun telah berlalu sejak prototaip kilogram dicipta. Sepanjang tempoh yang lalu, piawaian kebangsaan dibandingkan secara berkala dengan piawaian antarabangsa. DALAM Jadual 1 Keputusan hanya dua perbandingan (ia juga berlaku selepas 1954) piawaian kilogram dibentangkan.
Jadual 1
Standard kilogram baru
Baru-baru ini didapati bahawa piawaian kilogram Paris tidak sepenuhnya tepat. Selesaikan masalah ini, i.e. Program yang melibatkan saintis dari lapan negara akan membantu mewujudkan piawaian jisim baharu. 140 gram pertama bahan untuk piawaian baharu sudah wujud. Ini adalah silikon ultra-tulen, yang terdiri daripada 99.99% daripada isotop silikon-28.
Dalam tiga tahun sudah ada 5 kg silikon tersebut. Ini cukup untuk membuat bola satu kilogram, bilangan atom silikon-28 yang akan diketahui dengan tepat. Dan kemudian berat antediluvian di Dewan Timbang dan Sukat Paris akan digantikan dengan piawai, bukan sahaja jisim, tetapi juga bilangan atom yang akan ditentukan dengan ketepatan tertinggi untuk sains dunia hari ini.
Para saintis, dan terutamanya ahli fizik, telah lama mengimpikan untuk mendapatkan piawai jisim yang baru dan benar-benar tepat. Beberapa kerja telah disiapkan, tetapi masih terdapat sejumlah besar kerja di hadapan. Hakikatnya ialah dalam mikroelektronik mereka kebanyakannya telah belajar untuk menghasilkan silikon tulen secara kimia. Tetapi silikon semulajadi terdiri daripada tiga isotop dengan jisim atom yang berbeza secara semula jadi - 28 (92%), 29 (5%) dan 30 (3%) unit karbon. Dan untuk piawaian jisim, hanya atom yang sama diperlukan. Hanya selepas memperoleh silikon tulen secara isotop di Rusia, mereka akan membuat bola licin yang ideal di Australia. Dan kemudian bola akan diperiksa untuk masa yang lama dan berhati-hati di Jerman dan Perancis. Oleh itu, untuk pertama kalinya adalah mungkin untuk menjelaskan salah satu kuantiti kimia yang paling asas - nombor Avogadro.
Kilogram ditakrifkan sebagai jisim kilogram standard antarabangsa yang disimpan oleh Biro Timbang dan Sukat Antarabangsa, iaitu silinder dengan diameter dan ketinggian 39 mm diperbuat daripada aloi platinum-iridium (90% platinum, 10% iridium) . Pada mulanya, pada tahun 1793, ahli kimia Antoine Lavoisier dan ahli kristal Rene Juste Ailly mencadangkan kepada Suruhanjaya Timbang dan Sukatan Perancis untuk menggunakan gram sebagai unit jisim - jisim satu sentimeter padu air tulen pada takat lebur ais. Untuk kemudahan penggunaan praktikal, Lenoir yang telah disebutkan menghasilkan berat tembaga standard seberat 1000 gram. Sejak 1795, unit jisim baru dipanggil kilogram. Empat tahun kemudian, cadangan ahli fizik Louis Lefebvre-Guignot untuk menimbang air pada suhu ketumpatan maksimumnya (4°C) diterima. Piawaian kilogram baharu itu diperbuat daripada platinum dan disimpan di Arkib Republik. Beberapa salinannya juga telah dibuat untuk digunakan sebagai sampel dalam pembuatan pemberat. Walau bagaimanapun, pengukuran yang dibuat pada abad ke-19 menunjukkan bahawa jisim 1 dm 3 air adalah 0.028 g kurang daripada jisim piawaian arkib. Untuk mengelakkan sebarang percanggahan pada masa hadapan, Suruhanjaya Antarabangsa bagi Piawaian Sistem Metrik pada tahun 1872 memutuskan untuk menerima pakai jisim prototaip, kilogram Arkib, sebagai satu unit jisim.
Pada tahun 1880, piawaian antarabangsa bagi kilogram daripada aloi yang terdiri daripada platinum dan iridium dikeluarkan, dan empat daripada enam salinan rasmi piawaian yang sedia ada pada masa ini telah dibuat pada masa yang sama.
Kesemuanya kini disimpan di bawah dua penutup kaca tertutup dalam peti besi yang terletak di ruangan bawah tanah Biro Timbang dan Sukat Antarabangsa (BIPM) di Sèvres dekat Paris. Pada tahun 1889, Persidangan Agung Pertama mengenai Timbang dan Sukat mengguna pakai takrifan kilogram sebagai sama dengan jisim piawai antarabangsa. Takrifan ini sah pada zaman kita Untuk makluman - Biro Timbang dan Sukat Antarabangsa, BIPM (French Bureau International des Poids et Mesures, BIMP) ialah sebuah organisasi antarabangsa tetap dengan ibu pejabat yang terletak di bandar Sèvres (sebuah pinggir bandar Paris, Perancis). Ditubuhkan pada tahun 1875, bersama-sama dengan pemeteraian Konvensyen Meter. Tugas utama Biro adalah untuk memastikan kewujudan sistem pengukuran bersatu di semua negara yang menyertai konvensyen ini. BIPM menyimpan piawaian antarabangsa bagi unit asas dan menjalankan kerja metrologi antarabangsa yang berkaitan dengan pembangunan dan penyimpanan piawaian antarabangsa dan perbandingan piawaian kebangsaan dengan piawaian antarabangsa dan sesama mereka.
Salinan piawaian antarabangsa juga disimpan di Persekutuan Rusia, di Institut Penyelidikan Metrologi All-Russian yang dinamakan selepas itu. Mendeleev. Kira-kira sekali setiap 10 tahun, piawaian kebangsaan dibandingkan dengan piawaian antarabangsa. Perbandingan ini menunjukkan bahawa piawaian kebangsaan adalah tepat kepada kira-kira 2 µg. Memandangkan ia disimpan dalam keadaan yang sama, tidak ada sebab untuk mempercayai bahawa piawaian antarabangsa adalah lebih tepat. Atas pelbagai sebab, selama seratus tahun piawaian antarabangsa kehilangan 0.00000003 bahagian jisimnya. Walau bagaimanapun, mengikut definisi, jisim standard antarabangsa adalah sama dengan satu kilogram. Oleh itu, sebarang perubahan dalam jisim sebenar piawai membawa kepada perubahan dalam nilai kilogram. 
Kilogram adalah salah satu daripada tujuh kuantiti asas sistem antarabangsa unit SI. Selebihnya - meter, saat, ampere, kelvin, mol dan candela - tidak terikat pada media bahan tertentu. Piawaian meter platinum-iridium telah dibatalkan pada tahun 1960. Satu-satunya standard "mekanikal" yang tinggal pada masa ini ialah kilogram. Tetapi jisim piawaian antarabangsa utama berubah dari semasa ke semasa - kini dipercayai bahawa ia telah "menurunkan berat badan" sebanyak 50 mikrogram kerana pemindahan mikro bahan ke permukaan dirian semasa penyimpanan, serta ke permukaan genggaman yang digunakan semasa perbandingan dengan piawaian kebangsaan.
Semua ini boleh memesongkan hasil pengiraan saintifik ultra-tepat, jadi saintis memikirkan tentang keperluan untuk mentakrifkan semula kilogram. Pada tahun 1975, Dr. Brian Kibble dari Makmal Fizikal Kebangsaan (NPL) UK mencadangkan idea yang dipanggil baki watt. Peranti ini membolehkan unit kuasa elektrik dan mekanikal disambungkan. "Sambungan ini adalah asas metrologi," jelas penyelidik terkemuka di Institut Penyelidikan Metrologi All-Russian. D. I. Mendeleev Edmund Perancis. - Imbangan terdiri daripada dua gegelung yang berinteraksi antara satu sama lain apabila arus elektrik mengalir. Tidak seperti baki semasa, penentukuran tambahan digunakan di sini apabila gegelung bergerak pada kelajuan yang diketahui dalam medan magnet rujukan. Disebabkan ini, adalah mungkin untuk mengurangkan ralat dengan ketara dalam mengukur daya interaksi disebabkan oleh geometri gegelung. Oleh itu, adalah mungkin untuk menyatakan kilogram dari segi unit elektrik yang diukur berdasarkan kesan kuantum, iaitu, melalui pemalar asas - ini akan membolehkan kita menyingkirkan piawaian "mekanikal". Setakat ini, skala watt bekerja telah dilaksanakan di AS di NIST dan di NPL, tetapi pada masa ini ralat terkecil dalam pengukuran mereka ialah 3.6 × 10 –8, iaitu sekurang-kurangnya dua kali lebih teruk daripada apa yang diperlukan untuk standard. ”
Satu lagi cara untuk mentakrifkan semula kilogram telah dicadangkan oleh sekumpulan saintis dari Jerman, Australia, Itali dan Jepun, diketuai oleh penyelidik dari Institut Fizikoteknikal Jerman. Mereka berhasrat untuk menggunakan "kaedah Avogadro," iaitu, mentakrifkan kilogram sebagai nombor ke-n atom. "Kesukaran utama kaedah ini ialah anda perlu membina kekisi kristal yang ideal," kata Edmund French, "tanpa kecacatan tunggal, dan, lebih-lebih lagi, dari satu isotop - silikon-28. Ralat relatif kaedah ini masih terlalu tinggi - 3.1×10 –7. Ngomong-ngomong, terdapat arah lain yang sedang dibangunkan di sini di VNIIM dan di Jepun - kaedah pengangkatan jisim superkonduktor, yang memberikan ketepatan susunan 4 × 10 –6. Tetapi atas pelbagai sebab, kajian itu tidak disiapkan di mana-mana negara.”
Jadi kilogram kekal sebagai piawaian mekanikal semata-mata yang terakhir buat masa ini.
Untuk makluman anda, ralat mutlak yang dibenarkan bagi berat 1 kilogram yang digunakan secara meluas ialah 0.5 gram.
Berdasarkan bahan dari tapak: www.omedb.ru; www.russianamerica.com; wikipedia.org.