A kilogramm prototípus visszavonása

A kilogramm az utolsó nemzetközi mérési szabvány, amely pontosan kidolgozott fizikai tárgyra támaszkodik. Ezt a standard hordozót hamarosan fizikai állandókon alapuló űrkor-mérések váltják fel.

Az Oslón kívüli norvég metrológiai szolgálat üvegházában Norvégia szokásos kilogramma olyan, mint egy kiállított múzeumi tárgy.

Valójában a tervek szerint ez és kísérő súlyai hamarosan múzeumi darabokká válnak. Ők a súlyok és mértékek ezoterikus világának utolsó fizikai helytartói, a metrológiának nevezett tudományág. Ha minden a tervek szerint halad, a fizikai standard kilót 2019 májusában lecseréljük egy változatlan fizikai állandókon alapuló normára.

Pekka Neuvonen és Marit Ulset Nordsveen, a Norvég Metrológiai Szolgálat részesei ebben az átmenetben. Neuvonen felelős a norvég standard kilogrammért a Norvég Metrológiai Szolgálatnál, míg Nordsveen mérési módszereket tanulmányozott és áttekintést adott az új mértékegységekkel végzett munkáról.

Neuvonen szerint a változás célja, hogy "felszabadítsa a kilogrammot egy fizikai tárgyhoz való kapcsolódástól".

Le Grand K

Nemzetközi mérőrendszerünk nagy része - az SI rendszer - továbbra is egy nagyon különleges henger tömegéhez van kötve Sévresben Párizson kívül.

A henger a Le Grand K - Big K becenevet kapta. A francia henger egy kilogramm nemzetközi prototípusa - a tömegegység az SI rendszerben.

A norvég metrológiai szolgálatnál levő norvég kilogramm és unokatestvérei szerte a világon lényegében a Le Grand K másolatai.

A kilogramm az utolsó mértékegység, amelyet egy fizikai objektum határoz meg. A sévresi fizikai mérőt 1960-ban nyugdíjazták.

Most a mérőt egy fizikai állandó sebessége, a fény sebessége vákuumban határozza meg.

A mérőműszert úgy határozták meg, hogy megegyezzen a fény 1/299 792 458 másodperc alatt megtett távolságával. A fénysebesség, legjobb tudomásunk szerint, változatlan, legalább az elkövetkező mintegy millió évben, ami azt jelenti, hogy ennek a prototípusmérőnek is változatlanul kell maradnia.

Egy fizikai tárgy, mint egy méteres rúd, idővel megváltozhat. Valójában a kilogramm - Le Grand K - összezsugorodhatott.

Apró különbségek számítanak

Könnyű elfelejteni, hogy a kis változtatások nagy változást hozhatnak. Ha egy franciaországi légitársaság üzem nagyon pontos alkatrészt rendel Kínából, és ez egy gramm töredéke a súlytól, katasztrofális következményekkel járhat.

Ismeretes, hogy a Le Grand K az 1800-as évek végi létrehozása óta megváltozott. Szerencsére nem sok, de elég ahhoz, hogy a metrológusok - a mérőrendszerekkel foglalkozó tudósok - aggódjanak.

Védelme érdekében a Le Grand K-t egy boltozatban tartották. 90% platina és 10% irídium. A kombináció szinte ugyanolyan ellenálló a kémiai változásokkal szemben, mint az arany, de sokkal nehezebb. A szem számára olyan fényes és karcmentes, mint 1889-ben.

Az idő mégis rányomja bélyegét. Még a platina is keveset reagál a levegővel, és vékony szennyeződést vonzhat magához. Ezt a szennyeződést el kell távolítani, először a prototípus éterrel és alkohollal átitatott velúrral történő átmosásával. Ezután dupla desztillált vízből készült gőzzel tisztára fújják, és körülbelül egy hétig hagyják száradni.

Ez elég jó? Senki sem tudja biztosan. De a metrológusok változásokat figyeltek meg a Le Grand K-ban és annak példányaiban Norvégiában és sok más országban. Súlyuk változik egymáshoz képest, olyan okok miatt, amelyeket nem értenek jól.

És a probléma természetesen az, hogy senki sem tudja megmondani, hogy ezek a kis különbségek a Le Grand K változásai, vagy a prototípusok - vagy mindkettő - következményei-e.

Fizikai állandók

Most a metrológusok meghatározzák a kilogrammot egy fizikai konstans szám alapján, amely valami alapvetőet mond az Univerzum kapcsolatairól.

Így a kilogramm változhatatlan módon kerül meghatározásra, mint a mérő. De a fénysebességre épülő mérővel ellentétben a kilogramm Plank állandójára fog támaszkodni. Ez a szám leírja a fényrészecske színe és a benne lévő energia kapcsolatát.

A vörös fénynek kevesebb energiája van. A kék fénynek több energiája van. De mennyivel többet? Planck állandóját használják ennek a számításnak az elősegítésére. Ez egy szám, amely eltűnően kicsi - 6,62607004 × 10-34, vagyis a milliomod milliárdos milliárdos milliárd tizede. Joule-másodpercnek nevezett egységekben mérik.

Wattmérleg

A fizika elmondja, hogy kapcsolat van az elektromos töltések és a tömeg között. Az ennek mérésére használt készüléket wattmérlegnek vagy Kibble-mérlegnek nevezik, amelyet Bryan Kibble brit fizikusról neveztek el.

A Kibble mérleg kissé hasonlít egy skálára, ahol az egyik serpenyő a mérlegelt tárgyra vonatkozik, míg a második serpenyővel ismert mennyiségű súlyokat adnak hozzá, amíg a két serpenyő kiegyensúlyozott.

A Kibble mérleg mérheti a tömeget azáltal, hogy kiegyensúlyozza a tömeget azzal az erővel, amely akkor keletkezik, amikor az elektromos áram szilárd mágneses mezőben tekercsen keresztül áramlik - így működik egy villanymotor.

Minél nagyobb az áram a tekercsen, annál erősebb a mágneses mező és az erő. Végül a mágneses erő kiegyensúlyozza annak súlyát, amelyet meg akarunk mérni, és a súlyt meg lehet mérni az áram segítségével.

Le Grand K, Planck állandója és az Avogadro állandója

Azonban nem csak a Kibble-mérleg tetejére dobhatja a Le Grand K-t, hogy az új konstansot kilogrammra állítsa. Először a metrológusoknak a lehető legnagyobb pontossággal meg kellett állapítaniuk Planck állandójának értékét. Ezután a Kibble mérleg segítségével meghatározhatják a kilogramm új normáját Planck állandója alapján.

De a biztonság kedvéért a metrológusok egy másik, kiegészítő módszert is keresnek a kilogramm prototípusának létrehozására, az Avogadro-állandónak nevezett kémiai szám alapján.

Ez az állandó az atomok száma egy anyag meghatározott egységében, az úgynevezett molban. 6,02 x 1023 vagy 602 000 000 000 000 000 000 000 meghatározva Avogadro állandója akkora, mint Planck állandója. E szám felhasználásával a metrológusok meghatározhatják a kilogrammot az ultratiszta monokristályos szilícium gömb nagysága alapján. Ez a második megközelítés még fejlesztés alatt áll.

Ha minden a tervek szerint alakul, a Le Grand K helyébe a kilogramm új meghatározása lép, Planck 2019. május 20-i állandója alapján - ami metrológiai nap.

De addig a Le Grand K-nak el kell viselnie azt a súlyos súlyt, hogy a szokásos kilogramm. Pekka Neuvonennek és Marit Ulset Nordsveennek pedig továbbra is le kell zárnia fizikai norvég társát, hogy biztonságban legyen.