Alternativní přístupy k předefinování kilogramu - Alternative approaches to redefining the kilogram

The vědecká společnost několik zkoumal alternativní přístupy k předefinování kilogramu před rozhodnutím o předefinování základních jednotek SI v listopadu 2018. Každý přístup měl výhody a nevýhody.

Před novou definicí kilogram a několik dalších SI jednotky na základě kilogramu byly definovány uměle vytvořeným kovovým artefaktem zvaným mezinárodní prototyp kilogramu.[1] Panovala široká shoda, že by měla být nahrazena starší definice kilogramu.

The SI systém po nové definici v roce 2019: kilogram je nyní stanoven ve smyslu druhý, Metr a Planckova konstanta

Mezinárodní výbor pro váhy a míry (CIPM) schválil v listopadu 2018 redefinici základních jednotek SI, která definuje kilogram definováním Planckova konstanta být přesně 6.62607015×10−34 kg⋅m2.S−1. Tento přístup účinně definuje kilogram z hlediska druhého a Metr, a vstoupilo v platnost dne 20. května 2019.[1][2][3][4]

V roce 1960 byl měřič, který byl dříve obdobně definován s odkazem na jedinou platinově-iridiovou tyčinku se dvěma značkami, předefinován jako invariantní fyzikální konstanta (vlnová délka konkrétní emise světla vyzařovaného krypton,[5] a později rychlost světla ), aby bylo možné normu nezávisle reprodukovat v různých laboratořích podle písemné specifikace.

Na 94. Zasedání Mezinárodní výbor pro míry a váhy (CIPM) v roce 2005 bylo doporučeno, aby bylo totéž provedeno s kilogramem.[6]

V říjnu 2010 CIPM hlasovala pro předložení usnesení ke zvážení na zasedání Generální konference o vahách a mírách (CGPM), "vzít na vědomí záměr", aby byl kilogram definován ve smyslu Planckova konstanta, h (který má rozměry energie krát čas) spolu s dalšími fyzikálními konstantami.[7][8] Toto usnesení bylo přijato 24. konferencí CGPM[9] v říjnu 2011 a dále diskutována na 25. konferenci v roce 2014.[10][11] Ačkoli výbor uznal, že bylo dosaženo významného pokroku, dospěli k závěru, že údaje se zatím nezdají dostatečně robustní, aby bylo možné přijmout revidovanou definici, a že je třeba pokračovat v práci, která umožní přijetí na 26. schůzce naplánované na rok 2018.[10] Taková definice by teoreticky umožňovala použití jakéhokoli zařízení, které bylo schopné vymezit kilogram ve smyslu Planckovy konstanty, pokud by mělo dostatečnou přesnost, přesnost a stabilitu. The Vyvážení granulí je jedním ze způsobů, jak to udělat.

V rámci tohoto projektu byla po mnoho let zvažována a zkoumána celá řada velmi odlišných technologií a přístupů. Některé z těchto přístupů byly založeny na zařízeních a postupech, které by umožnily reprodukovatelnou výrobu nových prototypů kilogramové hmotnosti na vyžádání pomocí technik měření a vlastností materiálu, které jsou nakonec založeny na fyzických konstantách nebo k nim lze navázat. Jiné byly založeny na zařízeních, která měřila buď zrychlení nebo hmotnost ručně vyladěných kilogramových zkušebních hmot a která vyjádřila své veličiny v elektrických pojmech prostřednictvím speciálních komponent, které umožňují sledovatelnost k fyzikálním konstantám. Tyto přístupy závisí na převodu měření hmotnosti na hmotnost, a proto vyžadují přesné měření síly gravitace v laboratořích. Všechny přístupy by přesně stanovily jednu nebo více přírodních konstant na definované hodnotě.

Vyvážení granulí

The NIST Kibble balance je projekt vlády USA na vývoj „elektronického kilogramu“. Nahoře je vidět kopule vakuové komory, která se spouští nad celým přístrojem.
Hlavní článek: Vyvážení granulí

The Vyvážení granulí (známý jako „wattová rovnováha“ před rokem 2016) je v zásadě a jednoduchá pánev váha který měří elektrická energie je nutné postavit se proti hmotnosti kilogramové zkušební hmotnosti, která je tažena zemskou gravitací. Jedná se o variantu ampérová rovnováha, s dalším kalibračním krokem, který eliminuje účinek geometrie. The elektrický potenciál v Kibbleově rovnováze je vyznačeno a Josephsonův standard napětí, což umožňuje spojení napětí s neměnnou konstantou přírody s extrémně vysokou přesností a stabilitou. Jeho obvod odpor je kalibrován proti a kvantový Hallův jev standard odporu.

Kibbleova váha vyžaduje extrémně přesné měření lokálního gravitačního zrychlení G v laboratoři pomocí a gravimetr. Například když se výška středu gravimetru liší od výšky blízké testovací hmoty v Kibbleově rovnováze, NIST kompenzuje gravitační gradient Země 309 μGal na metr, což ovlivňuje hmotnost jednokilogramové zkušební hmotnosti asi o 316 μg / m.

V dubnu 2007 NIST implementace bilance Kibble prokázala kombinovanou relativní standardní nejistotu (CRSU) 36 μg.[12][Poznámka 1] Spojené království Národní fyzická laboratoř Kibble balance prokázal CRSU 70,3 μg v roce 2007.[13] Tato bilance Kibble byla demontována a odeslána v roce 2009 do kanadského institutu pro národní standardy měření (součást Národní rada pro výzkum ), kde by mohl pokračovat výzkum a vývoj zařízení.

Místní gravitační zrychlení G se měří s výjimečnou přesností pomocí laserového interferometru. Laserový vzor interferenční proužky —Tmavé a světlé pásy nahoře — kvete stále rychlejší rychlostí jako volně padající rohový reflektor kapky uvnitř absolutního gravimetru. Frekvenční rozmítání vzoru je načasováno atomovými hodinami.

Gravitace a povaha Kibbleovy rovnováhy, která osciluje testovací hmoty nahoru a dolů proti místnímu gravitačnímu zrychlení G, jsou využívány tak, že mechanická síla je porovnávána s elektrickou energií, což je druhá mocnina napětí dělená elektrickým odporem. Nicméně, G se významně liší - téměř o 1% - v závislosti na tom, kde se na povrchu Země provádí měření (viz Gravitace Země ). Tam jsou také mírné sezónní rozdíly v G v místě v důsledku změn v podzemních vodních hladinách a větší půlměsíční a denní změny v důsledku slapových deformací tvaru Země způsobených Měsícem a Sluncem. Ačkoli G by nebyl termín v definice kilogramu, bylo by to rozhodující v procesu měření kilogramu, pokud jde o energii a sílu. V souladu s tím G musí být měřeny s takovou přesností a přesností jako ostatní termíny, takže měření G musí být také sledovatelné k základním přírodním konstantám. Pro nejpřesnější práci v hromadné metrologii G se měří pomocí absolutních gravimetrů s klesající hmotností, které obsahují jodem stabilizované helium – neonový laser interferometr. The okrajový signál, kmitočet výstup z interferometru se měří rubidiem atomové hodiny. Jelikož tento typ gravimetru s klesající hmotou odvozuje svou přesnost a stabilitu z konstantní rychlosti světla a vrozených vlastností atomů helia, neonů a rubidia, pojem „gravitace“ v popisu plně elektronického kilogramu se také měří z hlediska invarianty přírody - a s velmi vysokou přesností. Například v suterénu zařízení NIST v Gaithersburgu v roce 2009 při měření gravitace působící na zkušební hmotnosti Pt ‑ 10Ir (které jsou hustší, menší a mají uvnitř váhy Kibble o něco nižší těžiště než hmoty z nerezové oceli), naměřená hodnota byla typicky v rozmezí 8 ppb od 9.80101644 slečna2.[14]

Výhodou elektronických realizací, jako je Kibbleova váha, je to, že definice a šíření kilogramu již nezávisí na stabilitě kilogramových prototypů, s nimiž je třeba zacházet velmi opatrně a ukládat je. Osvobozuje fyziky od nutnosti spoléhat se na předpoklady o stabilitě těchto prototypů. Místo toho lze ručně vyladěné hmotnostní standardy blízké aproximace jednoduše zvážit a dokumentovat jako rovné jednomu kilogramu plus hodnotě offsetu. S rovnováhou Kibble, zatímco kilogram je vymezený elektricky a gravitačně, to vše lze vysledovat k invarianty přírody; to je definována způsobem, který lze přímo vysledovat ke třem základním přírodním konstantám. Planckova konstanta definuje kilogram v sekundách a metrech. Upevněním Planckovy konstanty definice kilogramu navíc závisí pouze na definice druhého a měřiče. Definice druhé závisí na jedné definované fyzické konstantě: frekvence jemného štěpení základního stavu atomu cesia-133 Δν(133Cs)hfs. Měřič závisí na druhé a na další definované fyzické konstantě: rychlost světla C. S takto předefinovaným kilogramem fyzické objekty, jako je IPK, již nejsou součástí definice, ale místo toho se stávají přenosové standardy.

Váhy jako váhy Kibble také umožňují větší flexibilitu při výběru materiálů se zvláště žádoucími vlastnostmi pro hmotnostní standardy. Například Pt ‑ 10Ir by se mohl i nadále používat, aby měrná hmotnost nově vyrobených hmotnostních standardů byla stejná jako u stávajících národních primárních a kontrolních standardů (≈21,55 g / ml). To by snížilo relativní nejistotu při tvorbě hromadné srovnání ve vzduchu. Alternativně lze prozkoumat zcela odlišné materiály a konstrukce s cílem vytvořit hromadné standardy s větší stabilitou. Například, osmium -iridiové slitiny by mohly být zkoumány, pokud je sklon platiny absorbovat vodík (v důsledku katalýzy těkavých organických látek a čisticích rozpouštědel na bázi uhlovodíků) a atmosférický rtuť se ukázaly jako zdroje nestability. Rovněž se nanášejí parní ochranné keramické povlaky nitridy lze zkoumat jejich vhodnost pro chemickou izolaci těchto nových slitin.

Úkolem pro váhy Kibble není jen snížit jejich nejistotu, ale také je učinit skutečnými praktický realizace kilogramu. Téměř každý aspekt vah Kibble a jejich podpůrného vybavení vyžaduje tak mimořádně přesnou a přesnou nejmodernější technologii, že - na rozdíl od zařízení jako atomové hodiny - by se v současné době jen málo zemí rozhodlo financovat jejich provoz. Například váhy NIST Kibble používaly v roce 2007 čtyři standardy odporu, z nichž každý byl kalibrován přes váhy Kibble každé dva až šest týdnů poté, co byl kalibrován v jiné části Ústředí NIST zařízení v Gaithersburg, Maryland. Bylo zjištěno, že pouhým přesunutím standardů odporu dolů po chodbě na váhy Kibble po kalibraci došlo ke změně jejich hodnot 10 ppb (ekvivalent 10 μg) nebo více.[15] Dnešní technologie nestačí k tomu, aby umožňovala stabilní provoz vah Kibble mezi rovnoměrnými pololetními kalibracemi. Jakmile nová definice vstoupí v platnost, je pravděpodobné, že na světě bude původně fungovat jen několik - nanejvýš - zůstatků Kibble.

Alternativní přístupy k předefinování kilogramu

Ve stručné formě, jako je 1.85487(14)×1013, číslice mezi závorkami označují nejistota najednou standardní odchylka (1σ, 68% úroveň spolehlivosti) ve stejném počtu nejméně významných číslic významně.

Několik alternativních přístupů k předefinování kilogramu, které se zásadně lišily od Kibbleovy rovnováhy, bylo prozkoumáno v různé míře, s některými opuštěnými. Zejména projekt Avogadro byl důležitý pro rozhodnutí o nové definici v roce 2018, protože poskytoval přesné měření Planckovy konstanty, které bylo v souladu s metodou Kibble Balance a bylo na ní nezávislé.[16] Mezi alternativní přístupy patří:

Metody počítání atomů

Projekt Avogadro

Achim Leistner na Australské centrum pro přesnou optiku (ACPO) drží 1 kg, monokrystalická křemíková koule pro projekt Avogadro. Mezi nejobjemnějšími uměle vytvořenými objekty na světě by koule zvětšená na velikost Země měla vysoký bod pouze 2,4 metru nad „mořskou hladinou“.[Poznámka 2]

Další přístup založený na konstantě Avogadro, známý jako Mezinárodní koordinace Avogadro je Projekt Avogadro, by definoval a vymezil kilogram jako 93,6 koule o průměru mm křemík atomy. Křemík byl vybrán kvůli komerční infrastruktuře s vyspělá technologie pro vytváření bezchybného, ​​ultra čistého monokrystalického křemíku již existuje, Czochralského proces, opravit polovodič průmysl.

K praktické realizaci kilogramu, křemíku boule (tyčový monokrystalický ingot) by byl vyroben. Své izotopový složení by bylo měřeno pomocí a hmotnostní spektrometr k určení jeho průměrné relativní atomové hmotnosti. Boule by byl rozřezán, rozemlet a vyleštěn do koulí. Velikost vybrané koule by byla měřena pomocí optiky interferometrie na nejistotu okolo 0,3 nm na poloměru - zhruba jedna atomová vrstva. Přesná rozteč mřížek mezi atomy v její krystalové struktuře (≈ 192 pm) bude měřeno pomocí skenování Rentgenový interferometr. To umožňuje určit jeho atomový rozestup s nejistotou pouze tři části na miliardu. S velikostí koule, její průměrnou atomovou hmotností a známým atomovým rozestupem lze požadovaný průměr koule vypočítat s dostatečnou přesností a nízkou nejistotou, aby bylo možné povrchovou úpravu vyleštit na cílovou hmotnost jednoho kilogramu.

Na křemíkových koulích projektu Avogadro se provádějí experimenty, aby se zjistilo, zda jsou jejich hmoty nejstabilnější, jsou-li uloženy ve vakuu, částečném vakuu nebo okolním tlaku. V současné době však neexistují žádné technické prostředky k prokázání lepší dlouhodobé stability než stabilita IPK, protože nejcitlivější a nejpřesnější měření hmotnosti se provádějí s dvojitá pánev zůstatky jako BIPM's FB ‑ 2 flexure-strip balance (viz § Externí odkazy, níže). Váhy mohou porovnávat pouze hmotnost křemíkové koule s hmotností referenční hmoty. Vzhledem k nejnovějšímu pochopení nedostatku dlouhodobé masové stability s IPK a jeho replikami neexistuje žádný známý, dokonale stabilní masový artefakt, který by bylo možné porovnat. Single-pánev váhy, které měří váhu vzhledem k invariantu přírody, nejsou přesné vzhledem k nutné dlouhodobé nejistotě 10–20 dílů na miliardu. Dalším problémem, který je třeba překonat, je to, že křemík oxiduje a tvoří tenkou vrstvu (ekvivalent k 5–20 atomy křemíku hluboko) oxid křemičitý (křemen ) a oxid křemičitý. Tato vrstva mírně zvyšuje hmotnost koule, což je účinek, který je třeba zohlednit při leštění koule na její konečnou velikost. Oxidace není problém s platinou a iridiem, které oba jsou ušlechtilé kovy které jsou zhruba stejné katodický jako kyslík, a proto neoxidují, pokud k tomu nedojde v laboratoři. Přítomnost tenké vrstvy oxidu na prototypu hmoty křemíkové koule představuje další omezení postupů, které by mohly být vhodné k jejímu čištění, aby se zabránilo změně tloušťky vrstvy nebo oxidu stechiometrie.

Všechny přístupy založené na křemíku by opravily Avogadrovu konstantu, ale lišily se v detailech definice kilogramu. Jeden přístup by používal křemík se všemi třemi jeho přirozenými izotopy přítomnými. Asi 7,78% křemíku tvoří dva těžší izotopy: 29Si a 30Si. Jak je popsáno v § Uhlík-12 níže by tato metoda byla definovat velikost kilogramu vyjádřená určitým počtem 12Atomy C fixací Avogadrovy konstanty; křemíková koule by byla praktická realizace. Tento přístup by mohl přesně vymezit velikost kilogramu, protože hmotnosti tří křemíku nuklidy ve vztahu k 12C jsou známy s velkou přesností (relativní nejistoty 1 ppb nebo lépe). Alternativní metoda pro vytvoření kilogramu na bázi křemíkové koule navrhuje použít izotopová separace techniky k obohacení křemíku, dokud není téměř čistý 28Si, který má relativní atomovou hmotnost 27.9769265325(19).[17] S tímto přístupem by Avogadrova konstanta byla nejen fixována, ale také by byla atomová hmotnost 28Si. Definice kilogramu by tedy byla oddělena 12C a kilogram by místo toho byly definovány jako 1000/27.9769265325 ⋅ 6.02214179×1023 atomy 28Si (≈ 35.74374043 fixní krtci 28Atomy Si). Fyzici se mohli rozhodnout definovat kilogram ve smyslu 28Si, i když kilogramové prototypy jsou vyrobeny z přírodního křemíku (jsou přítomny všechny tři izotopy). I s definicí kilogramu založenou na teoreticky čistém 28Si, prototyp křemíkové koule vyrobený z téměř čistého 28Si by se nutně mírně odchýlil od definovaného počtu molů křemíku, aby kompenzoval různé chemické a izotopové nečistoty, jakož i účinek povrchových oxidů.[18]

Uhlík-12

Ačkoli tato definice nenabízí praktickou realizaci, definovala by přesně velikost kilogramu ve smyslu určitého počtu uhlík-12 atomy. Uhlík-12 (12C) je izotop uhlíku. The krtek je v současné době definována jako „množství entit (elementárních částic jako atomy nebo molekuly), které se rovná počtu atomů ve 12 gramech uhlíku-12“. Současná definice molu to tedy vyžaduje 1000/12 krtci (83+1/3 mol) z 12C má hmotnost přesně jeden kilogram. Počet atomů v molu, množství známé jako Avogadro konstantní, je experimentálně určen a aktuální nejlepší odhad jeho hodnoty je 6.02214076×1023 entit na mol.[19] Tato nová definice kilogramu navrhovala přesně zafixovat Avogadrovu konstantu 6.02214X×1023 mol−1 přičemž kilogram je definován jako „hmotnost rovnající se hmotnosti 1000/12 ⋅ 6.02214X×1023 atomy 12C".

Přesnost naměřené hodnoty konstanty Avogadro je v současné době omezena nejistotou v hodnotě Planckova konstanta. Relativní standardní nejistota byla 50 částice na miliardu (ppb) od roku 2006. Stanovením konstanty Avogadro by praktickým účinkem tohoto návrhu bylo, že nejistota v množství 12Atom C - a velikost kilogramu - nemohl být o nic lepší než současných 50 nejistota ppb v Planckově konstantě. Podle tohoto návrhu bude velikost kilogramu předmětem dalšího upřesnění, jakmile budou k dispozici vylepšená měření hodnoty Planckovy konstanty; elektronické realizace kilogramu by byly podle potřeby překalibrovány. Naopak elektronická definice kilogramu (viz § Elektronické přístupy, níže), což by přesně fixovalo Planckovu konstantu, by to i nadále umožňovalo 83+1/3 krtci 12C mít hmotnost přesně jednoho kilogramu, ale počet atomů obsahujících mol (Avogadrova konstanta) bude i nadále předmětem dalšího zdokonalování.

Variace na a 12Definice založená na C navrhuje definovat Avogadrovu konstantu jako přesnou 844468893 (≈ 6.02214162×1023) atomy. Imaginární realizace 12-gramového masového prototypu by byla krychle 12C atomy měří přesně 84446889 atomy napříč na straně. S tímto návrhem by byl kilogram definován jako „hmotnost rovnající se 844468893 × 83+1/3 atomy 12C."[20][Poznámka 3]

Akumulace iontů

Další přístup založený na Avogadro, ion akumulace, protože byla opuštěna, by definovala a vymezila kilogram přesně vytvořením nových kovových prototypů na vyžádání. Bylo by to provedeno hromaděním zlato nebo vizmut ionty (atomy zbavené elektronu) a jejich počítání měřením elektrického proudu potřebného k neutralizaci iontů. Zlato (197Au) a vizmut (209Bi) byly vybrány, protože s nimi lze bezpečně manipulovat a mají dvě nejvyšší atomové hmotnosti mezi mononukleidové prvky které jsou stabilní (zlato) nebo účinně (vizmut).[Poznámka 4] Viz také Tabulka nuklidů.

Například se zlatou definicí kilogramu mohla být relativní atomová hmotnost zlata stanovena tak přesně 196.9665687, z aktuální hodnoty 196.9665687(6). Stejně jako u definice založené na uhlíku-12 by byla stanovena i Avogadrova konstanta. Kilogram by pak byl definován jako „hmotnost rovnající se hmotnosti přesně 1000/196.9665687 ⋅ 6.02214179×1023 atomy zlata “(přesně 3 057 443 620 887 933 963 384 315 atomů zlata nebo přibližně 5.07700371 fixní krtci).

V roce 2003 německé experimenty se zlatem prováděly pouze proud 10 μA prokázal relativní nejistotu 1,5%.[22] Následné experimenty využívající ionty bismutu a proud 30 Očekávalo se, že mA nahromadí hmotu 30 g za šest dní a mít relativní nejistotu lepší než 1 ppm.[23] Nakonec se přístupy akumulace iontů ukázaly jako nevhodné. Měření vyžadovala měsíce a data se ukázala příliš nepravidelná na to, aby byla tato technika považována za životaschopnou budoucí náhradu IPK.[24]

Mezi mnoha technickými výzvami zařízení pro depozici iontů bylo získání dostatečně vysokého iontového proudu (rychlost depozice hmoty) při současném zpomalení iontů, aby se mohly všechny ukládat na cílovou elektrodu vloženou do misky váhy. Experimenty se zlatem ukázaly, že ionty musely být zpomaleny na velmi nízkou energii, aby se zabránilo prskání účinky - jev, při kterém se ionty, které již byly spočítány, odrazí od cílové elektrody nebo dokonce uvolní atomy, které již byly uloženy. Uložený hmotnostní zlomek v německých experimentech z roku 2003 se při iontových energiích méně než kolem přiblížil jen velmi blízko 100% 1 eV (< 1 km / s pro zlato).[22]

Pokud by byl kilogram definován jako přesné množství atomů zlata nebo vizmutu uložených elektrickým proudem, musela by být přesně stanovena nejen Avogadrova konstanta a atomová hmotnost zlata nebo vizmutu, ale také hodnota základní náboj (E), pravděpodobně 1.60217X×10−19 C (z aktuálně doporučené hodnoty 1.602176634×10−19 C[25]). Tím by se účinně definovalo ampér jako tok 1/1.60217X×10−19 elektrony za sekundu za pevným bodem v elektrickém obvodu. Jednotka hmotnosti SI by byla plně definována přesně stanovením hodnot Avogadrovy konstanty a elementárního náboje a využitím skutečnosti, že atomové hmotnosti atomů vizmutu a zlata jsou neměnné, univerzální konstanty přírody.

Kromě pomalého vytváření nového masového standardu a špatné reprodukovatelnosti existovaly další vnitřní nedostatky přístupu iontové akumulace, které se ukázaly jako impozantní překážky, aby se techniky založené na iontové akumulaci staly praktickou realizací. Přístroj nezbytně vyžadoval, aby depoziční komora měla integrovaný vyvažovací systém, který umožňuje pohodlnou kalibraci přiměřeného množství přenosových standardů vzhledem k jakémukoli jednomu vnitřnímu prototypu uloženému na iontech. Masové prototypy vyrobené technikami depozice iontů by navíc nebyly ničím jako volně stojící prototypy platiny a iridia, které se v současnosti používají; byly by uloženy na - a staly by se součástí - elektrody zapuštěné do jedné pánve speciální váhy integrované do zařízení. Iontově nanesená hmota by navíc neměla tvrdý, vysoce leštěný povrch, který by mohl být energicky čištěn jako u současných prototypů. Zlato, zatímco husté a ušlechtilý kov (odolný vůči oxidaci a tvorbě dalších sloučenin), je extrémně měkký, takže prototyp vnitřního zlata by musel být udržován dobře izolovaný a pečlivě čistý, aby se zabránilo kontaminaci a možnosti opotřebení při odstraňování kontaminace. Vizmut, který je levným kovem používaným při nízkoteplotních pájkách, pomalu oxiduje, když je vystaven vzduchu o pokojové teplotě, a vytváří další chemické sloučeniny, a proto by nevytvářel stabilní referenční hmotnosti, pokud by nebyl trvale udržován ve vakuu nebo v inertní atmosféře.

Síla založená na ampérech

Ukazuje magnet plovoucí nad supravodičem zalitým tekutým dusíkem perfektní diamagnetický levitace prostřednictvím Meissnerův efekt. Experimenty s ampérovou definicí kilogramu převrátily toto uspořádání vzhůru nohama: elektrické pole zrychlilo supravodivou zkušební hmotu podporovanou pevnými magnety.

Tento přístup by definoval kilogram jako „hmotnost, která by byla přesně zrychlena 2×10−7 slečna2 když je vystaven síle na metr mezi dvěma přímými paralelními vodiči nekonečné délky, zanedbatelného kruhového průřezu, umístěnými jeden metr od sebe ve vakuu, kterým protéká konstantní proud 1/1.60217×10^−19 základní poplatky za sekundu ".

Účinně by to definovalo kilogram jako derivaci ampér spíše než současný vztah, který definuje ampér jako derivaci kilogramu. Tato nová definice kilogramu by specifikovala základní náboj (E) přesně 1.60217×10^−19 coulomb spíše než aktuální doporučená hodnota 1.602176634×10−19 C.[25] Nutně by z toho vyplývalo, že ampér (jeden coulomb za sekundu) by se také stal elektrickým proudem s tímto přesným množstvím elementárních nábojů za sekundu procházející daným bodem v elektrickém obvodu. Praktická realizace založená na této definici spočívá v tom, že na rozdíl od Kibbleova rovnováha a další metody založené na měřítku, z nichž všechny vyžadují pečlivou charakteristiku gravitace v laboratoři, tato metoda definuje velikost kilogramu přímo v termínech, které definují povahu hmoty: zrychlení působením síly. Bohužel je extrémně obtížné vyvinout praktickou realizaci založenou na zrychlujících se masách. Experimenty po dobu let v Japonsku s a supravodivé, 30 g hmotnost podporovaná diamagnetický levitace nikdy nedosáhla nejistoty lepší než deset dílů na milion. Magnetická hystereze byl jedním z omezujících problémů. Jiné skupiny prováděly podobný výzkum, který používal různé techniky k vznášení hmoty.[26][27]

Poznámky

  1. ^ Kombinovaná relativní standardní nejistota (CRSU) těchto měření, stejně jako u všech ostatních tolerancí a nejistot v tomto článku, pokud není uvedeno jinak, jsou na jedné standardní odchylce (1σ), což odpovídá úrovni spolehlivosti přibližně 68%; to znamená, že 68% měření spadá do stanovené tolerance.
  2. ^ Koule zobrazená na fotografii má hodnotu out-of-roundness (vrchol od údolí v poloměru) 50 nm. Podle ACPO se v tom zlepšili s out-of-roundness 35 nm. 93.6 koule o průměru mm, out-of-roundness 35 nm (odchylka ± 17,5 nm od průměru) je zlomková zaoblení (∆r/r) = 3.7×10−7. V měřítku velikosti Země to odpovídá maximální odchylce od hladiny moře pouze 2,4 m. Kulatost této sféry ACPO je překročena pouze dvěma ze čtyř tavený křemen rotory gyroskopu letěly dál Gravitační sonda B, které byly vyrobeny koncem 90. let a jejich konečná hodnota byla uvedena na W.W. Hansen Experimental Physics Lab v Stanfordská Univerzita. Zejména "Gyro 4" je zaznamenáno v Guinness databáze světových rekordů (jejich databáze, nikoli v jejich knize) jako the nejokrouhlejší umělý objekt na světě. Podle zveřejněné zprávy (221 kB PDF, zde Archivováno 2008-02-27 na Wayback Machine ) a koordinátor pro veřejné záležitosti GP ‑ B na Stanford University ze čtyř gyroskopů na palubě sondy, Gyro 4 má maximální zvlnění povrchu z dokonalé koule 3,4 ±0.4 nm na 38,1 koule o průměru mm, což je a ∆r/r = 1.8×10−7. V měřítku velikosti Země to odpovídá odchylce velikosti Severní Ameriky, která pomalu stoupá z moře (na terasách s molekulární vrstvou 11,9 cm vysoká) a dosahuje maximální výšky 1,14 ±0.13 mv Nebrasce a poté se postupně svažuje zpět k hladině moře na druhé straně kontinentu.
  3. ^ Původním návrhem bylo nově definovat kilogram jako hmotnost 844468863 uhlík-12 atomů.[21] Hodnota 84446886 byl vybrán, protože má speciální vlastnost; jeho kostka (navrhovaná nová hodnota pro konstantu Avogadro) je dělitelná dvanácti. S touto definicí kilogramu by tedy byl celočíselný počet atomů v jednom gramu 12C: 50184508190229061679538 atomy. Nejistota Avogadrovy konstanty se od doby, kdy byl tento návrh poprvé předložen, značně snížila Americký vědec ke zveřejnění. Hodnota 2014 CODATA pro konstantu Avogadro (6.022140857(74)×1023) má relativní standardní nejistotu 12 dílů na miliardu a krychlový kořen tohoto čísla je 84446885.41(35), tj. v rozsahu nejistoty nejsou žádná celá čísla.
  4. ^ V roce 2003, ve stejném roce, kdy byly provedeny první experimenty s depozicí zlata, fyzici zjistili, že jediný přirozeně se vyskytující izotop vizmutu, 209Bi, je ve skutečnosti velmi málo radioaktivní, s nejdelší známou radioaktivní látkou poločas rozpadu jakéhokoli přirozeně se vyskytujícího prvku, který se rozpadá alfa záření —Poločas rozpadu (19±2)×1018 let. Jelikož je to 1,4 miliardykrát více než věk vesmíru, 209Bi je považován za stabilní izotop pro většinu praktických aplikací (ty, které nesouvisejí s takovými disciplínami jako nukleokosmochronologie a geochronologie ). Jinými slovy 99.999999983% vizmutu, který existoval na Zemi před 4,567 miliardami let, existuje dodnes. Pouze dva mononukleidové prvky jsou těžší než vizmut a pouze jeden se blíží jeho stabilitě: thorium. Thorium, které bylo dlouho považováno za možnou náhradu uranu v jaderných reaktorech, může při vdechování způsobit rakovinu, protože je nad 1,2 miliardkrát více radioaktivních látek než vizmutu. Má také tak silnou tendenci oxidovat, že její prášky jsou samozápalný. Díky těmto vlastnostem je thoria nevhodné v experimentech s depozicí iontů. Viz také Izotopy vizmutu, Izotopy zlata a Izotopy thoria.

Reference

  1. ^ A b Resnick, Brian (20. května 2019). „Nový kilogram právě debutoval. Je to obrovský úspěch.“. vox.com. Citováno 23. května 2019.
  2. ^ Návrh usnesení A „O revizi mezinárodního systému jednotek (SI)“, který bude předložen CGPM na jeho 26. zasedání (2018) (PDF)
  3. ^ Rozhodnutí CIPM / 105-13 (říjen 2016). V den, kdy je 144. výročí Konvence měření.
  4. ^ Pallab Ghosh (16. listopadu 2018). „Kilogram dostává novou definici“. BBC novinky. Citováno 16. listopadu 2018.
  5. ^ Mezinárodní úřad pro míry a váhy (2006), Mezinárodní systém jednotek (SI) (PDF) (8. vydání), str. 112, ISBN  92-822-2213-6, archivováno (PDF) od originálu na 2017-08-14
  6. ^ Doporučení 1: Přípravné kroky k novým definicím kilogramu, ampéru, kelvinu a molu ve smyslu základních konstant (PDF). 94. zasedání Mezinárodního výboru pro váhy a míry. Října 2005. str. 233. Archivováno (PDF) z původního dne 30. června 2007. Citováno 7. února 2018.
  7. ^ „NIST podporuje návrh na vylepšený systém měřících jednotek“. Nist.gov. 26. října 2010. Citováno 3. dubna 2011.
  8. ^ Ian Mills (29. září 2010). „Návrh kapitoly 2 pro brožuru SI v návaznosti na předefinování základních jednotek“ (PDF). CCU. Citováno 1. ledna 2011.
  9. ^ Rezoluce 1 - O možné budoucí revizi Mezinárodního systému jednotek, SI (PDF). 24. zasedání Generální konference pro váhy a míry. Sèvres, Francie. 17. – 21. Října 2011. Citováno 25. října 2011.
  10. ^ A b „BIPM - rezoluce 1 25. CGPM“. www.bipm.org. Citováno 2017-03-27.
  11. ^ „Generální konference o vahách a mírách schvaluje možné změny mezinárodního systému jednotek, včetně nové definice kilogramu“ (PDF) (Tisková zpráva). Sèvres, Francie: Generální konference o vahách a mírách. 23. října 2011. Citováno 25. října 2011.
  12. ^ Steiner, Richard L .; Williams, Edwin R .; Liu, Ruimin; Newell, David B. (2007). „Vylepšení nejistoty elektronického kilogramu NIST“. Transakce IEEE na přístrojové vybavení a měření. 56 (2): 592–596. doi:10.1109 / TIM.2007.890590. ISSN  0018-9456.
  13. ^ „Počáteční měření Planckovy konstanty pomocí wattové váhy NPL Mark II“, I.A. Robinson et al., Metrologia 44 (2007), 427–440;
    NPL: Zůstatek NPL Kibble
  14. ^ R. Steiner, Watty ve wattové rovnováze, NIST, 16. října 2009.
  15. ^ R. Steiner, Žádný FG-5?„NIST, 30. listopadu 2007.„ Rotujeme mezi přibližně 4 standardy odporu a přenos z kalibrační laboratoře do mé laboratoře provádíme každé 2–6 týdnů. Rezistory se nepřenášejí dobře a někdy se posunou při každém přenosu o 10 ppb nebo více. “
  16. ^ Lim, XiaoZhi (16. listopadu 2018). „Kilogram je mrtvý. Ať žije kilogram!“. The New York Times. Avogadrova konstanta a Planckova konstanta jsou vzájemně propojeny ve fyzikálních zákonech. Když změřil Avogadrovu konstantu, doktor Bettin mohl odvodit Planckovu konstantu. A s přesným měřením Planckovy konstanty mohl ověřit výsledky práce Dr. Kibble a naopak.
  17. ^ Brumfiel, Geoff (21. října 2010). "Elementární posun na kilo" (PDF). Příroda. 467 (7318): 892. doi:10.1038 / 467892a. PMID  20962811.
  18. ^ NPL: Projekt Avogadro; Australský národní institut pro měření: [Předefinování kilogramu pomocí Avogadrovy konstanty]; a Australské centrum pro přesnou optiku: Projekt Avogadro Archivováno 07.04.2014 na Wayback Machine
  19. ^ „Hodnota 2018 CODATA: Avogadrova konstanta“. Reference NIST o konstantách, jednotkách a nejistotě. NIST. 20. května 2019. Citováno 2019-05-20.
  20. ^ Hill, Theodore P; Miller, Jack; Censullo, Albert C (1. června 2011). "Směrem k lepší definici kilogramu". Metrologia. 48 (3): 83–86. arXiv:1005.5139. Bibcode:2011Metro..48 ... 83H. doi:10.1088/0026-1394/48/3/002.
  21. ^ Georgia Tech, „Lepší definice pro kilogram?“ 21. září 2007 (tisková zpráva).
  22. ^ A b Německý národní metrologický institut, známý jako Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): Pracovní skupina 1.24, Akumulace iontů
  23. ^ Generální konference o vahách a mírách, 22. zasedání, říjen 2003 (3.2 MB ZIP soubor).
  24. ^ Bowers, Mary, Karavana, 1. – 15. Září 2009: „Proč svět hubne“
  25. ^ A b „Hodnota 2018 CODATA: základní poplatek“. Reference NIST o konstantách, jednotkách a nejistotě. NIST. 20. května 2019. Citováno 2019-05-20.
  26. ^ „Beyond the kilogram: redefining the International System of Units“ (Tisková zpráva). NIST. Archivovány od originál dne 22. května 2008.
  27. ^ Robinson, I.A. (Duben 2009). "Směrem ke konečnému výsledku wattové váhy NPL Mark II". Transakce IEEE na přístrojové vybavení a měření. 58 (4): 936–941. doi:10.1109 / TIM.2008.2008090.