Насколько вы организованы Часть 2 Сверьтесь с эталоном

Насколько вы организованы Часть 2 Сверьтесь с эталоном

Насколько вы организованы Часть 2 Сверьтесь с эталоном
СОДЕРЖАНИЕ

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.

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.

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.

Метрическая
система базировалась на массе и длине (а также производных из нее площади и объеме) как основных единицах. Но поскольку в конце XIX и начале XX веков
бурно развивались новые научные области, принятых величин стало не хватать и ученые начали использовать
модифицированные варианты метрической
системы. К примеру, широкое
распространение получили системы СГС и МКСА.

В
середине ХХ века началась разработка
новой универсальной системы мер, которая
отвечала бы современным требованиям и
реалиям науки. Так в
1960 году была принята Международная система единиц СИ (SI, Le Système International d’Unités).
Изначально в нее включалось шесть величин, считающихся
основными:

Насколько вы организованы Часть 2 Сверьтесь с эталоном

С
момента принятия системы СИ некоторые
определения величин менялись, к примеру,
метр был привязан к скорости света в
вакууме, а секунда — к количеству сверхтонких
переходов в атоме цезия-133. Таким образом,
шесть из семи величин были избавлены
от физических эталонов и выводятся
через неизменные физические
свойства и явления, такие как скорость
света или периодические изменения в
энергетической структуре атомов.

Тем
не менее, действующее определение
килограмма по-прежнему гласит: Килограмм
есть единица массы, равная массе
международного прототипа килограмма.
Периодически копии эталона сверяют с оригиналом, и измерения показывают, что
массы эталонов меняются. Это происходит
из-за их взаимодействия с подставкой,
на которой они установлены, пылью,
которая оседает на них при поверке, и
других явлений.

Остальные величины

Чтобы
окончательно перейти от эталонов к
физическим явлениям, а также
усовершенствовать определения некоторых
величин, в 2011 году на Генеральной
конференции по мерам и весам было принято
решение переопределить четыре основные
величины: килограмм (масса), ампер (сила тока), кельвин (термодинамическая температура) и
моль (количество вещества). Также планируется поменять
формулировку определений трех остальных
величин, оставив неизменной их суть.

Новые
определения будут выражены через
фундаментальные физические константы:
килограмм через постоянную Планка,
ампер через величину элементарного
заряда, кельвин через постоянную
Больцмана, а моль через число Авогадро.
Для этого придется зафиксировать эти
постоянные и приписать им значения,
соответствующие наиболее точным
измерениям.

Для
того чтобы в 2018 году переопределение
килограмма было официально принято, необходимо соблюсти несколько условий.
Во-первых, измерения должны быть выполнены
как минимум тремя независимыми
исследовательскими группами, причем
одна из них должна использовать измерения,
основанные на отличных от двух других
групп физических принципах. Во-вторых,
требования к их точности предъявляются очень высокие: неопределенность измерения
постоянной Планка не должна превышать
50×10

Предлагаем ознакомиться:  Сколько дней длится овуляция при 28

,
а хотя бы для одной исследовательской
группы — 20×10

Как
уже было сказано, помимо килограмма
планируется изменить определения еще
трех величин.

Один
кельвин будет считаться таким изменением
температуры, которое приводит к изменению
энергии, приходящейся
на одну степень свободы kT.
Таким образом, кельвин будет выводиться
через равенство E =kT, где E — это энергия, T — температура в кельвинах, а k — постоянная Больцмана. Из этого следует, что постоянную
Больцмана необходимо зафиксировать в соответствии с
требованиями резолюции — так же, как
и постоянную Планка. Это уже было проделано несколькими научными группами из
США, Китая и Германии.

Насколько вы организованы Часть 2 Сверьтесь с эталоном

Моль в нынешней системе СИ считается
таким количеством атомов, которое
содержится в 0,012 килограмма изотопа
углерода-12. Как известно, количество
вещества можно выразить как отношение
количества атомов к числу Авогадро.
Согласно новым нормам,
число Авогадро будет
зафиксировано в соответствии с наиболее
точными измерениями.

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.

Если
переопределение произойдет, ампер будет
определен через единицу
элементарного электрического заряда,
которая также будет зафиксирована
в виде конкретного значения.

Таким
образом, если данные,
опубликованные различными научными
группами, будут признаны участниками
Генеральной
конференции по мерам и весам, которая должна состояться в середине ноября
2018 года, то новые определения, вероятно,
вступят
в силу уже в
2019 году.

Эталоны первой метрической конвенции

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.

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.

Как измерить постоянную Планка

Ученые
из Национального института стандартов
и технологий США решили использовать
для уточнения постоянной Планка весы
Киббла. Их конструкция была разработана
Брайаном Кибблом, специалистом
Национальной физической лаборатории
Великобритании, еще в 1975 году. В таких
весах поддон, на который устанавливается
эталон, прикреплен к катушке, расположенной
между двумя сильными постоянными
магнитами.

Подавая ток на катушку, ученые
создают магнитное поле, которое при
определенной силе тока уравновешивает
силу тяжести, действующую на груз.
Поскольку масса эталона и величина
подаваемого на катушку тока известны,
с помощью уравнения ватт-баланса можно
вычислить постоянную Планка с высокой
точностью.

Предлагаем ознакомиться:  Позиционер для сна новорожденного

В последнее время физики
накопили статистические данные по
таким измерениям, а также немного переработали
физическую модель, в частности, пересмотрели
влияние магнитного поля катушки на
установку. Тридцатого июня специалисты NIST
опубликовали статью, в которой
заявили, что им удалось измерить постоянную Планка с
точностью до 13 миллиардных долей
(13×10-9),
что удовлетворяет требованием резолюции
о переопределении величин.

Второй
подход разработали в Национальном
метрологическом институте Германии.
Там создали практически идеально гладкие
сферы из
кремния диаметром около 93,5 миллиметра с шероховатостью, не превышающей
трех десятых нанометра, и отклонениями
от сферической формы до нескольких
десятков нанометров.

Это настолько
мало, что если такую сферу масштабировать
до размеров Земли, отклонения от идеально
ровной формы не будут превышать нескольких
метров. Сферы сделаны из монокристалла
кремния, причем одного изотопа — 28SI.
Кремний был выбран из-за того, что
благодаря развитой полупроводниковой
промышленности существуют методы
получения кремниевых объектов практически
идеального строения. Примесей в такой
сфере настолько мало, что его масса
отличается от идеальной меньше, чем на
одну десятимиллионную долю грамма.

Поскольку
сферу можно считать практически идеальной
с точки зрения кристаллического строения
и состава, а ее масса равна массе эталона
килограмма, то, точно измерив ее размер,
период кристаллической решетки и
плотность упаковки атомов, ученые могут
узнать количество атомов в ней. Исходя
из этого можно получить число Авогадро,
а затем постоянную Планка. На данный
момент ученые смогли измерить число
Авогадро с неопределенностью в 20
миллиардных долей.

Помимо
этих двух групп, существуют и другие.
Например, физики из Национального
исследовательского института Канады
также используют весы Киббла и, по их
данным, достигли даже большей точности
— 9,1 миллиардных доли.

Таким
образом, заявляемые различными группами
результаты удовлетворяют требованиям
резолюции 2011 года и дают
основания полагать, что переход от
эталона к новому определению все-таки
состоится в конце 2018 года.

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.

Эталон килограмма худеет

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.

Насколько вы организованы Часть 2 Сверьтесь с эталоном

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.

Предлагаем ознакомиться:  Положение шейка матки при овуляции

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.

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 измерении мощности, необходимой для создания электромагнитного поля, способного поднять 1 кг массы.

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.

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 мировое сообщество пока не избавилось от единственно оставшегося физического эталона международной системы единиц.

Интересно об измерениях

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, а 240 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 Джеймс Уайт 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.

Комментировать
0
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector