Альтернативные подходы к переопределению килограмма - Alternative approaches to redefining the kilogram

В научное сообщество изучили несколько альтернативные подходы к переопределению килограмма прежде чем принять решение о переопределение основных единиц СИ в ноябре 2018 года. У каждого подхода были свои преимущества и недостатки.

До переопределения килограмм, и несколько других Единицы СИ на основе килограмма, были определены искусственным металлическим артефактом, названным международный прототип килограмма.[1] Было широкое согласие с тем, что следует заменить старое определение килограмма.

В Система СИ после переопределения 2019 года: килограмм теперь фиксируется с точки зрения второй, то метр и Постоянная Планка

В ноябре 2018 года Международный комитет мер и весов (CIPM) утвердил новое определение основных единиц системы СИ, в котором определяется килограмм. Постоянная Планка быть точно 6.62607015×10−34 кг⋅м2⋅s−1. Этот подход эффективно определяет килограмм с точки зрения секунды и метр и вступил в силу 20 мая 2019 г.[1][2][3][4]

В 1960 году измеритель, который ранее аналогичным образом определялся со ссылкой на один платино-иридиевый слиток с двумя отметками на нем, был переопределен в терминах инвариантной физической константы (длины волны конкретного излучения света, излучаемого криптон,[5] а позже скорость света ), чтобы стандарт можно было независимо воспроизвести в разных лабораториях, следуя письменной спецификации.

На 94-м заседании Международный комитет мер и весов (CIPM) в 2005 г. рекомендовалось сделать то же самое с килограммом.[6]

В октябре 2010 г. CIPM проголосовал за внесение резолюции на рассмотрение в Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM), чтобы «принять к сведению намерение» определить килограмм в терминах Постоянная Планка, час (который имеет размерность энергии, умноженной на время) вместе с другими физическими константами.[7][8] Эта резолюция была принята 24-й конференцией CGPM.[9] в октябре 2011 г. и далее обсуждались на 25-й конференции в 2014 г.[10][11] Хотя Комитет признал, что был достигнут значительный прогресс, он пришел к выводу, что данные еще не представляются достаточно надежными для принятия пересмотренного определения и что работа должна продолжаться, чтобы обеспечить принятие на 26-м заседании, запланированном на 2018 год.[10] Такое определение теоретически позволило бы использовать любой прибор, способный определять килограмм в терминах постоянной Планка, при условии, что он обладает достаточной точностью, точностью и стабильностью. В Кормовой баланс это один из способов сделать это.

В рамках этого проекта на протяжении многих лет рассматривались и изучались самые разные технологии и подходы. Некоторые из этих подходов были основаны на оборудовании и процедурах, которые позволили бы воспроизводимое производство новых прототипов килограммовой массы по запросу с использованием методов измерения и свойств материалов, которые в конечном итоге основаны на физических константах или отслеживаются на них. Другие были основаны на устройствах, которые измеряли либо ускорение, либо вес настроенных вручную килограммовых испытательных масс и выражали их величины в электрических терминах с помощью специальных компонентов, которые позволяют прослеживать физические константы. Такие подходы зависят от преобразования измерения веса в массу и, следовательно, требуют точного измерения силы сила тяжести в лабораториях. Все подходы точно фиксировали бы одну или несколько констант природы на определенном значении.

Кормовой баланс

В NIST Весы Kibble - это проект правительства США по разработке «электронного килограмма». Сверху виден купол вакуумной камеры, который опускается над всем аппаратом.
Основная статья: Кормовой баланс

В Кормовой баланс (известный как «баланс ватт» до 2016 г.) по сути кастрюля Весы это измеряет электроэнергия необходимо, чтобы противостоять весу килограммовой испытательной массы, которую тянет земная гравитация. Это вариант баланс ампер, с дополнительным шагом калибровки, исключающим влияние геометрии. В электрический потенциал в балансе Kibble обозначен Стандарт напряжения Джозефсона, который позволяет связать напряжение с неизменной константой природы с чрезвычайно высокой точностью и стабильностью. Его схема сопротивление откалиброван по квантовый эффект холла стандарт сопротивления.

Весы Kibble требуют чрезвычайно точного измерения местного ускорения свободного падения. грамм в лаборатории, используя гравиметр. Например, когда высота центра гравиметра отличается от высоты близлежащей тестовой массы на весах Киббла, NIST компенсирует градиент силы тяжести Земли 309 мкГал на метр, что влияет на вес килограммовой испытательной массы примерно на 316 мкг / м.

В апреле 2007 г. NIST реализация весов Киббла продемонстрировала комбинированную относительную стандартную неопределенность (CRSU) 36 мкг.[12][Примечание 1] Великобритании Национальная физическая лаборатория Весы Kibble показали CRSU 70,3. мкг в 2007 году.[13] Весы Kibble были разобраны и отправлены в 2009 году Канадскому институту национальных стандартов измерения (часть Национальный исследовательский совет ), где можно было бы продолжить исследования и разработки устройства.

Местное ускорение свободного падения грамм измеряется с исключительной точностью с помощью лазерного интерферометра. Лазерный образец интерференционные полосы - темная и светлая полосы наверху - цветет все быстрее, как свободно падающий угловой отражатель падает внутри абсолютного гравиметра. Частота развертки паттерна рассчитывается по атомным часам.

Гравитация и природа весов Kibble, которые колеблют испытательные массы вверх и вниз против местного ускорения свободного падения. грамм, используются так, чтобы механическая мощность сравнивалась с электрической мощностью, которая представляет собой квадрат напряжения, деленный на электрическое сопротивление. Тем не мение, грамм значительно различается - почти на 1% - в зависимости от того, где на поверхности Земли производится измерение (см. Земное притяжение ). Также есть небольшие сезонные колебания в грамм в месте из-за изменений уровня грунтовых вод, а также более крупных полумесячных и суточных изменений из-за приливных искажений формы Земли, вызванных Луной и Солнцем. Несмотря на то что грамм не было бы термином в определение килограмма, это будет иметь решающее значение в процессе измерения килограмма при соотнесении энергии с мощностью. Соответственно, грамм должны быть измерены с такой же точностью и точностью, как и другие термины, поэтому измерения грамм также должны быть прослежены к фундаментальным константам природы. Для наиболее точной работы в метрологии массы, грамм измеряется с помощью абсолютных гравиметров с падающей массой, содержащих стабилизированный йодом гелий-неоновый лазер интерферометр. В бахрома, частотная развертка выходной сигнал интерферометра измеряется с помощью рубидия атомные часы. Поскольку этот тип гравиметра с падающей массой получает свою точность и стабильность благодаря постоянству скорости света, а также врожденным свойствам атомов гелия, неона и рубидия, термин `` гравитация '' при описании полностью электронного килограмма также измеряется в инвариантах природы - и с очень высокой точностью. Например, в подвале лаборатории NIST в Гейтерсбурге в 2009 году при измерении силы тяжести, действующей на тестовые массы Pt ‑ 10Ir (которые более плотны, меньше и имеют немного более низкий центр тяжести внутри весов Kibble, чем массы из нержавеющей стали), измеренное значение обычно находится в пределах 8 частей на миллиард от 9.80101644 РС2.[14]

Преимущество электронных реализаций, таких как весы Kibble, заключается в том, что определение и распределение килограмма больше не зависит от стабильности килограммовых прототипов, с которыми необходимо очень осторожно обращаться и хранить. Это освобождает физиков от необходимости полагаться на предположения о стабильности этих прототипов. Вместо этого настраиваемые вручную эталоны массы с точным приближением можно просто взвесить и задокументировать как равные одному килограмму плюс значение смещения. С весами Kibble, пока килограмм очерченный в электрических и гравитационных терминах, все они связаны с инвариантами природы; это определенный таким образом, который напрямую связан с тремя фундаментальными константами природы. Постоянная Планка определяет килограмм через секунды и метр. Зафиксировав постоянную Планка, определение килограмма зависит дополнительно только от определения секунды и метра. Определение второго зависит от единственной определенной физической константы: частоты сверхтонкого расщепления в основном состоянии атома цезия-133. Δν(133Cs)hfs. Счетчик зависит от секунды и от дополнительной определенной физической постоянной: скорость света c. После такого переопределения килограмма физические объекты, такие как IPK, больше не являются частью определения, а вместо этого становятся стандарты передачи.

Весы, подобные весам Kibble, также позволяют более гибко выбирать материалы с особенно желательными свойствами для эталонов массы. Например, Pt ‑ 10Ir можно продолжать использовать, чтобы удельный вес вновь произведенных эталонов массы был таким же, как у существующих национальных первичных и контрольных эталонов (≈21,55 г / мл). Это уменьшит относительную неопределенность при изготовлении массовые сравнения в воздухе. В качестве альтернативы можно исследовать совершенно другие материалы и конструкции с целью создания массовых эталонов с большей стабильностью. Например, осмий -иридиевые сплавы могут быть исследованы, если способность платины поглощать водород (из-за катализа ЛОС и чистящих растворителей на основе углеводородов) и атмосферные Меркурий оказались источниками нестабильности. Кроме того, нанесенные из паровой фазы защитные керамические покрытия, такие как нитриды могут быть исследованы на предмет их пригодности для химической изоляции этих новых сплавов.

Проблема с весами Kibble заключается не только в уменьшении их неопределенности, но и в том, чтобы сделать их действительно практичный реализации килограмма. Почти каждый аспект весов Kibble и их вспомогательного оборудования требует такой чрезвычайно точной и точной современной технологии, что - в отличие от такого устройства, как атомные часы - немногие страны в настоящее время предпочитают финансировать свою работу. Например, в 2007 году весы Kibble NIST использовали четыре стандарта сопротивления, каждый из которых подвергался ротации на весах Kibble каждые две-шесть недель после калибровки в другой части шкалы. Главный офис NIST объект в Гейтерсбург, Мэриленд. Было обнаружено, что простое перемещение эталонов сопротивления по коридору к весам Киббла после калибровки изменяет их значения 10. ppb (эквивалент 10 мкг) или более.[15] Современных технологий недостаточно, чтобы обеспечить стабильную работу весов Kibble даже между двухгодичными калибровками. Когда новое определение вступит в силу, вероятно, что в мире будет работать всего несколько - самое большее - весов Kibble.

Альтернативные подходы к переопределению килограмма

В краткой форме, например 1.85487(14)×1013, цифры в скобках обозначают неуверенность за один стандартное отклонение (1σ, уровень достоверности 68%) в том же количестве наименее значащих цифр значимое.

Несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма, которые фундаментально отличались от весов Киббла, были изучены в различной степени, от некоторых отказались. В частности, проект Авогадро был важен для решения о переопределении в 2018 году, поскольку он обеспечивал точное измерение постоянной Планка, которое согласовывалось с методом баланса Киббла и не зависело от него.[16] Альтернативные подходы включали:

Подходы с подсчетом атомов

Авогадро проект

Ахим Лейстнер на Австралийский центр прецизионной оптики (ACPO) имеет 1 кг, монокристаллический кремниевый шар для проекта Авогадро. Среди самых круглых созданных руками человека объектов в мире сфера, масштабируемая до размеров Земли, имела бы высоту всего 2,4 метра над «уровнем моря».[Заметка 2]

Другой подход Авогадро, основанный на константе, известный как Международная координация Авогадро с Авогадро проект, определит и обозначит килограмм как 93,6 сфера диаметром мм кремний атомы. Кремний был выбран потому, что коммерческая инфраструктура с зрелая технология для создания бездефектного сверхчистого монокристаллического кремния уже существует Процесс Чохральского, для обслуживания полупроводник промышленность.

Для практической реализации килограмма кремний буль (стержневой монокристаллический слиток). Его изотопический состав будет измеряться с масс-спектрометр для определения его средней относительной атомной массы. Були нарезали, шлифовали и шлифовали на сферы. Размер выбранной сферы будет измеряться с помощью оптического интерферометрия с погрешностью около 0,3 нм по радиусу - примерно один атомный слой. Точный шаг решетки между атомами в его кристаллической структуре (≈ 192 pm) будет измеряться с помощью сканирования Рентгеновский интерферометр. Это позволяет определить его атомный интервал с погрешностью всего три части на миллиард. Зная размер сферы, ее среднюю атомную массу и межатомное расстояние, требуемый диаметр сферы может быть рассчитан с достаточной точностью и низкой погрешностью, чтобы можно было окончательно отполировать ее до целевой массы в один килограмм.

На кремниевых сферах проекта Авогадро проводятся эксперименты, чтобы определить, являются ли их массы наиболее стабильными при хранении в вакууме, частичном вакууме или при атмосферном давлении. Однако в настоящее время не существует технических средств для доказательства долговременной стабильности лучше, чем у IPK, потому что наиболее чувствительные и точные измерения массы выполняются с помощью двойная сковорода остатки как балансиры FB ‑ 2 BIPM (см. § Внешняя ссылка, ниже). Весы могут сравнивать только массу кремниевой сферы с массой контрольной массы. Учитывая последнее понимание отсутствия долгосрочной стабильности массы с IPK и его репликами, не существует известного, совершенно стабильного артефакта массы, с которым можно было бы сравнивать. Одна сковорода напольные весы, которые измеряют вес относительно инварианта природы, не являются точными до необходимой долгосрочной неопределенности 10–20 частей на миллиард. Еще одна проблема, которую необходимо решить, заключается в том, что кремний окисляется и образует тонкий слой (эквивалентный 5–20 атомы кремния глубоко) из диоксид кремния (кварц ) и оксид кремния. Этот слой немного увеличивает массу сферы, эффект, который необходимо учитывать при полировке сферы до конечного размера. Окисление не является проблемой для платины и иридия, которые благородные металлы это примерно как катодный как кислород, и поэтому не окисляются, если это не требуется в лаборатории. Наличие тонкого оксидного слоя на прототипе кремниевой сферы накладывает дополнительные ограничения на процедуры, которые могут быть подходящими для его очистки, чтобы избежать изменения толщины слоя или оксида. стехиометрия.

Все подходы на основе кремния фиксируют постоянную Авогадро, но различаются деталями определения килограмма. Один из подходов предполагает использование кремния со всеми тремя его естественными изотопами. Около 7,78% кремния состоит из двух более тяжелых изотопов: 29Si и 30Si. Как описано в § Углерод-12 ниже этот метод будет определять величина килограмма в пересчете на определенное количество 12Атомы C, фиксируя постоянную Авогадро; кремниевая сфера была бы практическая реализация. Такой подход позволяет точно определить величину килограмма, потому что массы трех кремниевых нуклиды относительно 12C известны с большой точностью (относительная погрешность 1 ppb или лучше). Альтернативный метод создания килограмма кремниевой сферы предлагает использовать изотопное разделение методы обогащения кремния, пока он не станет почти чистым 28Si, имеющий относительную атомную массу 27.9769265325(19).[17] При таком подходе фиксировалась бы не только постоянная Авогадро, но и атомная масса 28Si. Таким образом, определение килограмма будет отделено от 12C, а килограмм вместо этого будет определен как 1000/27.9769265325 ⋅ 6.02214179×1023 атомы 28Si (≈ 35.74374043 фиксированные родинки 28Атомы Si). Физики могли определить килограмм через 28Si, даже если прототипы килограмма сделаны из природного кремния (присутствуют все три изотопа). Даже с определением килограмма на основе теоретически чистого 28Si, прототип кремниевой сферы, сделанный только из почти чистого 28Si обязательно должен слегка отклоняться от определенного количества молей кремния, чтобы компенсировать различные химические и изотопные примеси, а также влияние поверхностных оксидов.[18]

Углерод-12

Хотя это определение не предлагает практического воплощения, оно точно определяет величину килограмма с точки зрения определенного количества углерод ‑ 12 атомы. Карбон ‑ 12 (12C) является изотоп углерода. В крот в настоящее время определяется как «количество сущностей (элементарных частиц, таких как атомы или молекулы), равное количеству атомов в 12 граммах углерода-12». Таким образом, текущее определение родинки требует, чтобы 1000/12 родинки (83+1/3 моль) 12C имеет массу ровно один килограмм. Число атомов в моль, величина, известная как Константа Авогадро, определяется экспериментально, и текущая наилучшая оценка его значения 6.02214076×1023 сущностей на моль.[19] Это новое определение килограмма предлагало зафиксировать постоянную Авогадро точно на 6.02214Икс×1023 моль−1 при этом килограмм определяется как «масса, равная массе 1000/12 ⋅ 6.02214Икс×1023 атомы 12C ".

Точность измеренного значения постоянной Авогадро в настоящее время ограничена неопределенностью значения Постоянная Планка. Эта относительная стандартная неопределенность составляла 50 частей на миллиард (ppb) с 2006 года. Если зафиксировать константу Авогадро, практический эффект этого предложения будет заключаться в том, что неопределенность массы 12Атом углерода - и величина килограмма - не может быть лучше нынешних 50 погрешность постоянной Планка на миллиард. В соответствии с этим предложением величина килограмма будет уточняться в будущем по мере того, как станут доступны улучшенные измерения значения постоянной Планка; электронные реализации килограмма будут перекалиброваны по мере необходимости. И наоборот, электронный определение килограмма (см. § Электронные подходы ниже), который точно фиксировал бы постоянную Планка, продолжал бы разрешать 83+1/3 моль 12C иметь массу ровно один килограмм, но количество атомов, составляющих моль (постоянная Авогадро), будет и дальше уточняться.

Вариант на 12Определение на основе C предлагает определить постоянную Авогадро как точно 844468893 (≈ 6.02214162×1023) атомов. Воображаемая реализация прототипа массой 12 грамм была бы кубом 12Точные измерения атомов углерода 84446889 атомы по бокам. Согласно этому предложению килограмм будет определяться как «масса, равная 844468893 × 83+1/3 атомы 12С. "[20][Заметка 3]

Накопление ионов

Другой подход, основанный на Авогадро, ион накопление, так как оно было заброшено, определило бы и обозначило килограмм путем точного создания новых металлических прототипов по запросу. Это было бы сделано путем накопления золото или же висмут ионы (атомы лишены электрона) и подсчитывая их, измеряя электрический ток, необходимый для нейтрализации ионов. Золото (197Au) и висмут (209Bi) были выбраны потому, что с ними можно безопасно обращаться и они имеют два самых высоких атомные массы среди мононуклидные элементы которые стабильны (золото) или эффективно (висмут).[Примечание 4] Смотрите также Таблица нуклидов.

С помощью определения килограмма на основе золота, например, относительную атомную массу золота можно было бы точно зафиксировать. 196.9665687, от текущего значения 196.9665687(6). Как и в случае определения, основанного на углероде-12, постоянная Авогадро также была бы фиксированной. Тогда килограмм был бы определен как «масса, равная точно массе 1000/196.9665687 ⋅ 6.02214179×1023 атомов золота »(ровно 3 057 443 620 887 933 963 384 315 атомов золота или около 5.07700371 фиксированные родинки).

В 2003 году немецкие эксперименты с золотом при токе всего 10 мкА продемонстрировали относительную погрешность 1,5%.[22] Последующие эксперименты с ионами висмута и током 30 Ожидалось, что мА накопит массу 30 г через шесть дней и иметь относительную погрешность лучше 1 ppm.[23] В конечном итоге подходы с накоплением ионов оказались непригодными. На измерения потребовались месяцы, а данные оказались слишком нестабильными, чтобы этот метод можно было рассматривать в качестве жизнеспособной будущей замены IPK.[24]

Среди многих технических проблем устройства ионного осаждения было получение достаточно высокого ионного тока (массовая скорость осаждения) при одновременном замедлении ионов, чтобы все они могли осаждаться на целевом электроде, встроенном в чашу весов. Эксперименты с золотом показали, что ионы нужно замедлять до очень низких энергий, чтобы избежать распыление эффекты - явление, при котором ионы, которые уже были подсчитаны, рикошетили от целевого электрода или даже вытесняли атомы, которые уже были осаждены. Осажденная массовая доля в немецких экспериментах 2003 г. приближалась к 100% только при энергии ионов менее примерно 1 эВ (< 1 км / с за золото).[22]

Если бы килограмм был определен как точное количество атомов золота или висмута, нанесенных электрическим током, не только постоянная Авогадро и атомная масса золота или висмута должны были быть точно зафиксированы, но также и значение элементарный заряд (е), скорее всего 1.60217Икс×10−19 C (от текущего рекомендуемого значения 1.602176634×10−19 C[25]). Это могло бы эффективно определить ампер как поток 1/1.60217Икс×10−19 электронов в секунду после фиксированной точки в электрической цепи. Единицу массы в системе СИ можно было бы полностью определить, точно зафиксировав значения постоянной Авогадро и элементарного заряда и используя тот факт, что атомные массы висмута и атомов золота являются инвариантными универсальными константами природы.

Помимо медленности создания нового эталона массы и плохой воспроизводимости, у подхода с накоплением ионов были и другие существенные недостатки, которые оказались серьезным препятствием для практической реализации методов, основанных на накоплении ионов. Устройство обязательно требовало, чтобы камера осаждения имела встроенную систему балансировки, чтобы обеспечить удобную калибровку разумного количества стандартов переноса относительно любого единственного прототипа, осажденного внутренними ионами. Более того, массовые прототипы, произведенные методами ионного осаждения, не могли бы быть ничем иным, как отдельно стоящие платино-иридиевые прототипы, используемые в настоящее время; они были бы нанесены на электрод и стали частью электрода, помещенного в одну чашу специальных весов, встроенных в устройство. Более того, масса, осажденная ионами, не имела бы твердой, хорошо отполированной поверхности, которую можно было бы энергично очистить, как у нынешних прототипов. Золото, при этом плотное и благородный металл (устойчивый к окислению и образованию других соединений), чрезвычайно мягкий, поэтому внутренний золотой прототип должен быть хорошо изолирован и тщательно чист, чтобы избежать загрязнения и потенциального износа из-за необходимости удаления загрязнения. Висмут, который является недорогим металлом, используемым в низкотемпературных припоях, медленно окисляется при воздействии воздуха комнатной температуры и образует другие химические соединения, и поэтому не мог бы дать стабильных эталонных масс, если бы он не находился постоянно в вакууме или инертной атмосфере.

Сила на основе ампер

Магнит, плавающий над сверхпроводником, погруженным в жидкий азот, демонстрирует идеальный диамагнитный левитация через Эффект Мейснера. Эксперименты с определением килограмма на основе ампер перевернули эту схему с ног на голову: электрическое поле ускоряло сверхпроводящую тестовую массу, поддерживаемую неподвижными магнитами.

При таком подходе килограмм определяется как «масса, которая будет ускорена точно при 2×10−7 РС2 при воздействии на метр силы между двумя прямыми параллельными проводниками бесконечной длины и пренебрежимо малого круглого сечения, помещенными на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, через которые протекает постоянный ток величиной 1/1.60217×10^−19 элементарных зарядов в секунду ».

Фактически, это определило бы килограмм как производную от ампер а не в настоящем соотношении, которое определяет ампер как производную от килограмма. Это новое определение килограмма укажет элементарный заряд (е) так же точно 1.60217×10^−19 кулон а не текущее рекомендуемое значение 1.602176634×10−19 C.[25] Из этого неизбежно следовало бы, что ампер (один кулон в секунду) также стал бы электрическим током этого точного количества элементарных зарядов в секунду, проходящих через данную точку в электрической цепи. Преимущество практической реализации, основанной на этом определении, состоит в том, что в отличие от Весы Киббла и другие основанные на шкале методы, все из которых требуют тщательного определения характеристик силы тяжести в лаборатории, этот метод определяет величину килограмма непосредственно в тех самых терминах, которые определяют природу массы: ускорение от приложенной силы. К сожалению, разработать практическую реализацию, основанную на ускорении масс, крайне сложно. Эксперименты в течение многих лет в Японии с сверхпроводящий, 30 масса g поддерживается диамагнитный левитация никогда не достигала неопределенности лучше десяти частей на миллион. Магнитный гистерезис была одной из ограничивающих проблем. Другие группы провели аналогичные исследования, в которых использовались разные техники для левитации массы.[26][27]

Примечания

  1. ^ Общая относительная стандартная неопределенность (CRSU) этих измерений, как и все другие допуски и неопределенности в этой статье, если не указано иное, составляет одно стандартное отклонение (1σ), что соответствует уровню уверенности около 68%; то есть 68% измерений попадают в указанные допуски.
  2. ^ Сфера, показанная на фотографии, имеет значение овальности (от пика до впадины по радиусу) 50. нм.По данным ACPO, они улучшили этот показатель с овальностью 35. нм. На 93,6 сфера диаметром мм, овальность 35 нм (отклонение ± 17,5 нм от среднего) - дробная округлость (∆р/р) = 3.7×10−7. В масштабе Земли это эквивалентно максимальному отклонению от уровня моря всего в 2,4 раза. м. Круглость этой сферы ACPO превышена только двумя из четырех. плавленый кварц роторы гироскопа летали на Гравитационный зонд B, которые были произведены в конце 1990-х годов и получили окончательный вид на W.W. Лаборатория экспериментальной физики Хансена в Стэндфордский Университет. В частности, "Gyro 4" записан в Guinness база данных мировых рекордов (их база данных, а не их книга) как то самый круглый рукотворный объект в мире. Согласно опубликованному отчету (221 kB PDF, здесь В архиве 2008-02-27 на Wayback Machine ) и координатор GP ‑ B по связям с общественностью в Стэнфордском университете по четырем гироскопам на борту зонда Gyro 4 имеет максимальную волнистость поверхности идеальной сферы 3,4 ±0.4 нм на 38.1 сфера диаметром мм, которая является ∆р/р = 1.8×10−7. В масштабе Земли это эквивалентно отклонению в размере Северной Америки, медленно поднимающейся из моря (на террасах молекулярного слоя 11,9 см), достигая максимальной отметки 1,14 ±0.13 м в Небраске, а затем постепенно спускается к уровню моря на другой стороне континента.
  3. ^ Первоначально предложение было переопределить килограмм как массу 844468863 углерод-12 атомов.[21] Значение 84446886 был выбран потому, что он обладает особым свойством; его куб (предлагаемое новое значение постоянной Авогадро) делится на двенадцать. Таким образом, с таким определением килограмма было бы целое число атомов в одном грамме 12C: 50184508190229061679538 атомы. Неопределенность постоянной Авогадро значительно уменьшилась с тех пор, как это предложение было впервые представлено Американский ученый для публикации. Значение CODATA 2014 г. для постоянной Авогадро (6.022140857(74)×1023) имеет относительную стандартную неопределенность 12 частей на миллиард, а кубический корень из этого числа равен 84446885.41(35), т.е. в диапазоне неопределенности нет целых чисел.
  4. ^ В 2003 году, в том же году, когда были проведены первые эксперименты по осаждению золота, физики обнаружили, что единственный естественный изотоп висмута, 209Би, на самом деле очень немного радиоактивный, с самым длинным известным радиоактивным период полураспада любого природного элемента, который распадается через альфа-излучение - период полураспада (19±2)×1018 годы. Поскольку это в 1,4 миллиарда раз больше возраста Вселенной, 209Bi считается стабильным изотопом для большинства практических приложений (не связанных с такими дисциплинами, как нуклеокосмохронология и геохронология ). Другими словами, 99.999999983% висмута, существовавшего на Земле 4,567 миллиарда лет назад, существует и сегодня. Только два мононуклидных элемента тяжелее висмута и только один приближается к его стабильности: торий. Долгое время считавшийся возможной заменой урана в ядерных реакторах, торий может вызывать рак при вдыхании, поскольку его содержание превышает 1,2. в миллиард раз радиоактивнее висмута. Он также имеет такую ​​сильную тенденцию к окислению, что его порошки становятся пирофорный. Эти характеристики делают торий непригодным для экспериментов по ионному осаждению. Смотрите также Изотопы висмута, Изотопы золота и Изотопы тория.

Рекомендации

  1. ^ а б Резник, Брайан (20 мая 2019 г.). «Новый килограмм только что дебютировал. Это огромное достижение». vox.com. Получено 23 мая 2019.
  2. ^ Проект Резолюции А «О пересмотре Международной системы единиц (СИ)» для представления ГКБМ на его 26-м заседании (2018 г.) (PDF)
  3. ^ Решение CIPM / 105-13 (октябрь 2016 г.). Сегодня 144-я годовщина Метр Соглашение.
  4. ^ Паллаб Гош (16 ноября 2018 г.). «Килограмм получает новое определение». Новости BBC. Получено 16 ноября, 2018.
  5. ^ Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), С. 112, ISBN  92-822-2213-6, в архиве (PDF) из оригинала на 2017-08-14
  6. ^ Рекомендация 1: Подготовительные шаги к новым определениям килограмма, ампера, кельвина и моля с точки зрения фундаментальных констант. (PDF). 94-е заседание Международного комитета мер и весов. Октябрь 2005. с. 233. В архиве (PDF) с оригинала 30 июня 2007 г.. Получено 7 февраля, 2018.
  7. ^ «NIST поддерживает предложение по обновленной системе единиц измерения». Nist.gov. 26 октября 2010 г.. Получено 3 апреля, 2011.
  8. ^ Ян Миллс (29 сентября 2010 г.). «Проект главы 2 брошюры СИ после переопределения базовых единиц» (PDF). CCU. Получено 1 января, 2011.
  9. ^ Резолюция 1 - О возможном будущем пересмотре Международной системы единиц СИ (PDF). 24-е заседание Генеральной конференции по мерам и весам. Севр, Франция. 17–21 октября 2011 г.. Получено 25 октября, 2011.
  10. ^ а б «МБМВ - Резолюция 1 25-го ГКБМ». www.bipm.org. Получено 2017-03-27.
  11. ^ «Генеральная конференция мер и весов одобряет возможные изменения в Международной системе единиц, в том числе новое определение килограмма» (PDF) (Пресс-релиз). Севр, Франция: Генеральная конференция по мерам и весам. 23 октября 2011 г.. Получено 25 октября, 2011.
  12. ^ Штайнер, Ричард Л .; Уильямс, Эдвин Р .; Лю, Жуйминь; Ньюэлл, Дэвид Б. (2007). "Повышение неопределенности электронного килограмма NIST". IEEE Transactions по приборостроению и измерениям. 56 (2): 592–596. Дои:10.1109 / TIM.2007.890590. ISSN  0018-9456.
  13. ^ «Первоначальное измерение постоянной Планка с помощью ваттных весов NPL Mark II», И.А. Робинсон и другие., Метрология 44 (2007), 427–440;
    НПЛ: NPL Kibble Balance
  14. ^ Р. Штайнер, Ватт на балансе ватт, NIST, 16 октября 2009 г.
  15. ^ Р. Штайнер, Нет ФГ-5?, NIST, 30 ноября 2007 г. «Мы меняем примерно 4 стандарта сопротивления, передавая их из калибровочной лаборатории в мою лабораторию каждые 2–6 недель. Резисторы плохо передаются, а иногда смещаются при каждой передаче на 10 частей на миллиард или более».
  16. ^ Лим, Сяочжи (16 ноября 2018 г.). «Килограмм мертв. Да здравствует килограмм!». Нью-Йорк Таймс. Постоянная Авогадро и постоянная Планка взаимосвязаны в законах физики. Измерив постоянную Авогадро, доктор Беттин смог получить постоянную Планка. И с точным измерением постоянной Планка он мог бы подтвердить результаты работы доктора Киббла, и наоборот.
  17. ^ Брамфил, Джефф (21 октября 2010 г.). «Сдвиг стихии за килограмм» (PDF). Природа. 467 (7318): 892. Дои:10.1038 / 467892a. PMID  20962811.
  18. ^ НПЛ: Авогадро Проект; Австралийский национальный институт измерений: [Новое определение килограмма через постоянную Авогадро]; и Австралийский центр прецизионной оптики: Проект Авогадро В архиве 2014-04-07 в Wayback Machine
  19. ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Авогадро». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  20. ^ Хилл, Теодор П.; Миллер, Джек; Цензулло, Альберт К. (1 июня 2011 г.). «К лучшему определению килограмма». Метрология. 48 (3): 83–86. arXiv:1005.5139. Bibcode:2011Метро..48 ... 83H. Дои:10.1088/0026-1394/48/3/002.
  21. ^ Технологический институт Джорджии, "Лучшее определение килограмма?" 21 сентября 2007 г. (пресс-релиз).
  22. ^ а б Немецкий национальный метрологический институт, известный как Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): Рабочая группа 1.24, Накопление ионов
  23. ^ Генеральная конференция по мерам и весам, 22-е заседание, октябрь 2003 г. (3.2 ZIP-файл MB).
  24. ^ Дачи, Мэри, Караван, 1–15 сентября 2009 г .: «Почему мир худеет»
  25. ^ а б «2018 CODATA Value: elementary charge». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  26. ^ «За килограммом: новое определение Международной системы единиц» (Пресс-релиз). NIST. Архивировано из оригинал 22 мая 2008 г.
  27. ^ Робинсон, И. (Апрель 2009 г.). «К окончательному результату баланса мощности NPL Mark II». IEEE Transactions по приборостроению и измерениям. 58 (4): 936–941. Дои:10.1109 / TIM.2008.2008090.