Новини Чернігова

Вчені скасували еталонний кілограм і прив’язали одиницю маси до сталої Планка

Вчені скасували еталонний кілограм і прив’язали одиницю маси до сталої Планка

Учасники XXVI Генеральної конференції з мір та ваг, що проходить в Парижі, прийняли історичне рішення про перевизначення чотирьох із семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ) – кілограма, ампера, кельвіна і моля. Нові визначення стали чинними 20 травня 2019 року. З цього моменту всі одиниці системи СІ будуть прив’язані до фундаментальних фізичних констант.

До сих пір вже 129 років кілограм був «одиницею маси, що дорівнює масі міжнародного прототипу» (якщо точніше, то «прототипу після миття і чищення») – рукотворного артефакту, 39-міліметрового циліндра зі сплаву платини та іридію, який зберігається у французькому місті Севр.

Результати декількох міжнародних звірянь національних копій, виготовлених з того ж матеріалу, показали що їхні маси змінюються щодо головного еталона в діапазоні ±50 мікрограмів (±5×10⁻⁸) за 100 років.

Наскільки при цьому змінилася маса головного еталона — невідомо, оскільки його нема з чим порівнювати. Для багатьох типів вимірювань таке відхилення може призвести до недостовірних результатів.

У 2011 році Міжнародний комітет мір і ваг на XXIV Генеральній конференції погодився, що було би краще одиницю маси визначати через сталу Планка h — основну константу квантової теорії, коефіцієнт, що пов’язує величину енергії кванта електромагнітного випромінювання з частотою; тобто цифрове значення сталої зафіксувати (6.62607015×10⁻³⁴Дж⋅с) і надалі його використовувати для визначення кілограма через знамениту Айнштайнову формулу E=mc².

Прилад, за допомогою якого можна реалізувати новий еталон маси, називається Ватові терези (або ваги Кіббла). Назва походить від одиниці вимірювання потужності вата, оскільки вимірювана маса пропорційна потужності електричного струму, який компенсує вагу тіла; ідею такого вимірювання запропонував 1975 року британський науковець Б.П. Кіббл. У таких вагах еталоном виступає вантаж, який врівноважує силу відштовхування між постійним магнітом і котушкою, по якій пропускають струм. Таким чином, масу об’єкта можна знайти за рахунок рівності електричної і механічної сил. Константа Планка «ховається» в рівняннях, що описують роботу електричної частини установки. Власне цей прилад раніше використовувався для уточнення константи Планка, тепер він буде працювати “навпаки”.

Отже, згідно з новим визначенням, кілограм є комбінацією трьох констант природи: сталої Планка, частоти випромінювання цезію-133 і швидкості світла у вакуумі.

Завдяки новому визначенню кілограма кожна країна зможе відтворювати еталонну установку самостійно в будь-який час, не вдаючись до звірки з головним еталоном.

Нинішнє рішення завершує реформу, що тривала кілька десятків років: ще в 1983 році метр був прив’язаний до значення швидкості світла у вакуумі (значення було зафіксовано як 299 792 458 м/c і, очевидно, припинено всі програми вимірювання швидкості світла у вакуумі, оскільки його значення стало відомим за визначенням). У 2005 році дослідники визначилися у виборі ще трьох констант для перевизначення інших одиниць. Постійна Планка була обрана як основа для визначення одиниці маси, кілограма, елементарний електричний заряд (заряд електрона) — одиниці сили струму, а постійна Больцмана — термодинамічної температури.

Аби завершити цей перехід, знадобилося кілька років, щоби з високою точністю виміряти константи.

Конференція також затвердила нове визначення ампера. Колишнє визначення, затверджене 1948 року, було засноване на вимірюванні сили, що діє на паралельні провідники зі струмом. Тепер вчені вирішили зафіксувати не тільки чисельне значення сталої Планка для кілограма, а й чисельне значення електричного заряду — для нового визначення ампера.

Одиниця температури — кельвін — до сьогоднішнього дня визначалася як ¹⁰⁰/₂₇₃₁₆ термодинамічної температури потрійної точки води. Це визначення мало свої незручності, оскільки у воді завжди є домішки важких ізотопів водню і кисню, які можуть значно зрушувати потрійну точку. Тому метрологам довелося створити окремий стандарт — Віденський стандарт усередненої океанської води. Її рецепт виглядає так: 0,00015576 моля дейтерію на моль звичайного водню; 0,0003799 моля ¹⁷O на моль ¹⁶O, і 0,0020052 моля ¹⁸O на моль ¹⁶O. Крім того, щоби визначати точні значення в інших діапазонах, вченим доводилося контролювати точки плавлення і кипіння кількох інших речовин. Нове визначення Кельвіна засноване на постійній Больцмана, яка тепер точно дорівнює 1,380649×10⁻²³ Дж/K (джоулів на кельвін).

Моль до цього часу був прив’язаний до кількості атомів у 0,012 кг стабільного вуглецю-12, тобто був пов’язаний з масою. У новій версії системи СІ він буде визначений через зафіксовану постійну Авогадро, тобто буде рівний 6,02214076×10²³ частинок.

Тобто, тепер (точніше з 20 травня 2019 року) основні одиниці системи СІ визначаються:

довжина: метр, що впроваджувався як ¹/₁₀₀₀₀₀₀₀ довжини меридіану від Північного полюса до екватора через Париж (виявилось, що це 0,99999995 нинішнього метра), дорівнює довжині шляху, який світло  проходить  у  вакуумi  за  ¹/₂₉₉₇₉₂₄₅₈ секунди.

маса: кілограм, що впроваджувався як маса літра чистої води при температурі замерзання), визначається через сталу Планка h, яка точно дорівнює 6.62607015×10−34 Дж⋅с (Дж = кг⋅м2⋅с−2), та визначення метра і секунди.

час, секунда, що впроваджувалась як ¹/₈₆₄₀₀ доби (¹/₆₀ хвилини, що є ¹/₆₀ години, що є ¹/₂₄ доби), визначається як час, за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін.

сила електричного струму, ампер, що впроваджувався як десята частина електромагнітної одиниці струму в системі СГС — струму, що протікає в дузі довжиною 1 см кола радіусом 1 см, що створює в центрі поле 1 ерстед, визначається через заряд електрона, який приймається як 1.602176634×10⁻¹⁹ Кл (кулон, Кл=А⋅с)

термодинамічна температура: кельвін,  що впроваджувався — яко температурний градус — як сота частина між температурою кипіння а температурою замерзання води, потім як ¹⁰⁰/₂₇₃₁₆ термодинамічної температури потрійної точки води, визначається через кілограм метр і секунду через точне значення сталої Больцмана, яка точно дорівнює 1,380649 × 10⁻²³ Дж/K.

кількість речовини: моль, що впроваджувалась як стехіометрична кількість, яка є еквівалентною масою в грамах числа Авогадро кількості молекул речовини, визначається через зафіксоване число Авогадро, рівне 6,02214076×10²³ моль⁻¹.

сила світла: кандела, що впроваджувалась з того, що ¹/₆₀ яскравості повного випромінювача (випромінювача Планка) при температурі тверднення платини на 1 см², визначається як сила світла у визначеному напрямку від джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540×1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку ¹/₆₈₃ ват на стерадіан.

23.05.2019
Джерело: ЧЕLINE. Новини Чернігова