Переопределение основных единиц измерений

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

CИ – система единиц;

МКМВ (CIPM) – международный комитет по мерам и весам;

ГКМВ (CGPM) – генеральная конференция по мерам и весам;

ККЕ – консультативный комитет по единицам;

МБМВ – международное

бюро мер и весов;

CODATA – комитет по данным для науки и техники;

НМИ – национальный метрологический институт;

МТШ – международная температурная шкала.

ВВЕДЕНИЕ

Международная СИ основана на семи основных единицах: метре, килограмме, секунде, ампере, кельвине, моле и канделе, соответствующих семи основным величинам: длине, массе, времени, электрическому току, термодинамической температуре, количеству вещества и силе света. На 94-ом заседании в октябре 2005 г. МКМВ принял рекомендацию о подготовленных шагах к переопределению килограмма, ампера, кельвина и моля так, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным фундаментальным константам: постоянной Планка, H, элементарного заряда, E, постоянной Больцмана, K, и постоянной Авогадро, NA. Это значит, что шесть из семи основных единиц СИ будут определяться на основе подлинных инвариантов природы. В настоящем реферате приводится история вопроса и достоинства предлагаемых изменений, а также возможные формулировки для четырех новых определений. Принятие новых определений ГКМВ возможно на 24-й ГКМВ в 2011 году.

Цель моего исследования – переопределить основные единицы СИ.

Задачи работы:

1. Рассмотрение истории вопроса, основных предпосылок и требований к данным, ожидаемым к концу 2011 года.

2. Дать определения единиц (килограмма, ампера, кельвина и моля) в явном виде и определения с константами в явном виде.

3. Рассмотреть обсуждение проблем новых определений, сроки их введения и ключевые вопросы.

4. Ознакомление с некоторыми последствиями, вытекающими из новых определений единиц, для современной метрологии и влияние новых определений (килограмма, ампера, кельвина и моля).

Предметами исследования становятся килограмм, ампер, кельвин и моль.

Объектом исследования является переопределение основных единиц СИ, путем применения истинных инвариантов природы.

Методика работы – реферативное исследование. Структура предопределена принятыми задачами. Исследование состоит из введения, основной части, где будут решаться поставленные задачи, заключения, где будут сделаны выводы о проведённой работе, списка использованных источников и литературы. Для исследования была использована информация из зарубежных учебников, журналов, нормативных источников.

1.1. ОБЗОР И ИСТОРИЯ ВОПРОСА

При формулировке определения для основной единицы, наиболее характерной особенностью, которую стремятся достичь, является то, что конкретная величина, используемая для определения единицы, должна иметь естественный характер, постоянный в пространстве и времени – даже в астрономическом масштабе. В этом аспекте понятно, что в рамках общей теории относительности единицы определяются как «пригодные для использования единицы; они воспроизводятся в локальных экспериментах, в которых релятивистские эффекты, которые необходимо принимать во внимание, относятся к специальной теории относительности» [1]. Другие черты более практичного характера возможно менее важны, но подразумевают следующее: практическая реализация определения основной единицы, должна, в принципе, осуществляться в любом месте, в любое время и с такой точностью, какая требуется для практики при наиболее точных измерениях, хотя признается, что «продвинутая» метрология, которая для этого необходима, может потребовать значительные интеллектуальные и финансовые ресурсы.

Желание применять истинные инварианты природы, которыми, как мы считаем, являются фундаментальные константы физики или свойства атомов, в качестве опорных величин для практических измерений и для определения единиц приводит к развитию новой области, часто называемой «квантовой метрологией». Первоначальные определения метра и килограмма, принятые в 18-м столетии, а также более старой единицы времени – секунды, брали за основу размеры Земли и период ее вращения. Но как заметил в 1870 г. Максвелл (James Clerk Maxwell) [4], они не являются настоящими инвариантами, поскольку «параметры нашей планеты могут измениться, но если характеристики атома изменились бы, он стал бы уже другим атомом». К характеристикам атомов теперь добавятся, конечно, фундаментальные константы природы. Однако существующая в то время технология и научные познания не позволили внедрить принципы Максвелла и, таким образом, Метрическая конвенция 1875 года отдала предпочтение учреждению новых прототипов - артефактов метра и килограмма, которые должны были храниться в МБМВ. 1-я ГКМВ в 1889 году официально утвердила новые прототипы в качестве определений этих единиц [1]. Однако артефактам присущи свои сложности: известно, что в большей или меньшей степени, характеристики артефакта со временем изменяются. Кроме того, артефакты-прототипы не могут быть доступны «любому, в любом месте, в любое время», а доступны только для сличения в лаборатории, в которой этот прототип поддерживается.

Международная система единиц, СИ, основана на семи основных единицах: метре, килограмме, секунде, ампере, кельвине, моле и канделе, соответствующих семи основным величинам: длине, массе, времени, электрическому току, термодинамической температуре, количеству вещества и силе света [1]. Современная ситуация с СИ такова, что из семи основных единиц только секунда и метр непосредственно соотнесены с подлинными инвариантами, секунда определяется на основе периода колебаний излучения при квантовом переходе между линиями сверхтонкой структуры, образующей при расщеплении основного квантового состояния в атоме цезия-133, и метр определяется на основе скорости света в вакууме (также используя секунду).

Кельвин определен со ссылкой на точно определенное термодинамическое состояние воды, которое, будучи несомненно инвариантом природы, обладает термодинамической температурой, в значительной степени зависящей от содержания примесей и изотропного состава используемого образца воды, что усложняет и ограничивает точность, с которой это определение может быть реализовано.

Определения других основных единиц имеет более существенные недостатки. Килограмм до сих пор определяется на основание артефакта, т. е. того же прототипа, одобренного 1-й ГКМВ в 1889 году, масса которого, не может не изменяться со временем, хотя никто не может сказать точно насколько она изменилась. Недостаток определений ампера, моля и канделы происходит большей частью из-за их зависимости от определения килограмма.

Определение килограмма является, таким образом, основным вопросом усовершенствования СИ. Его современное определение, одобренное 3-й ГКМВ, в 1901 году изложено следующим образом: «Килограмм – единица массы; он равен массе международного прототипа килограмма». Международный прототип – цилиндр высотой и диаметром около 39 мм, выполненный из сплава платины и иридия с весовыми долями 90 % и 10 %, соответственно, находящейся в хранилище в МБМВ, в Севре, в предместье Парижа [3]. Хотя международный прототип хорошо выполнил свою функцию в качестве единицы массы, он имеет одно существенное ограничение: он не привязан к инварианту природы. Поэтому возможность переопределения килограмма на основе подлинной природной константы – массы атома или фундаментальной физической константы – обсуждалось в течение, по крайней мере, последней четверти столетия. Действительно, необходимость замены современного определения килограмма, основанного на артефакте, на определение на основе константы, было призвано в 1999 году 21-й ГКМВ в ее Резолюции 7, в которой «рекомендуется национальным лабораториям продолжать работу по совершенствованию экспериментов, которые привяжут единицу массы к фундаментальной или атомной константам, с целью дальнейшего переопределения килограмма» [7].

Дискуссия по возможному переопределению килограмма состоялась на 93-м заседании МКМВ, проходившем в октябре 2004 г.[2], побуждаемая запиской, представленной в МКМВ Т. Квинном после дискуссий в рабочей группе «Единицы, основанные на фундаментальных константах» В Академии наук Франции. МКМВ поставил задачу своему Консультативному комитету по единицам (ККЕ) через президента ККЕ Миллса(Mills), исследовать возможность осуществления нового, основанного на фундаментальных константах, переопределения килограмма, которое могло бы быть принято в будущем, и доложить о результатах этого исследования на 94-м заседании МКМВ в октябре 2005. В начале 2005 году предложили переопределить килограмм, использую в качестве опорной величины либо постоянную Планка, либо постоянную Авогадро, и предположили, что это переопределение могло бы произойти в 2007 году на 23 ГКМВ. Это предложение широко обсуждалось в метрологическом сообществе в течение прошлых 3 лет, особенно на заседаниях ККЕ, других Консультативных комитетов (КК) МКМВ, вышеупомянутой рабочей группы Академии наук, рабочей группы по Фундаментальным константам Комитета по данным для науки и техники (CODATA) и на дискуссионном заседании по фундаментальным константам в физике, прецизионном измерениям и основным единицам СИ, проходившем в Королевском обществе в Лондоне [8]. Несмотря на то, что существовало значительное неприятие предложения о переопределении килограмма на 23-й ГКМВ в 2007 году по причинам, все-таки появилось единодушие в том, что новое переопределение килограмма можно было бы предусмотреть для 24-й ГКМВ в 2011 году, и что, более того, одновременно можно было бы внести изменения в определения ампера, кельвина и моля.

1.2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Самые существенные предпосылки лежат в основе рекомендаций МКМВ и ККЕ 2005 года. Среди самых важных из них является та, что общая структура существующей СИ, - т. е. современные основные величины СИ и их единицы – должны остаться неизменными. Причина заключается в том, что эти величины СИ и их единицы считаются удовлетворяющими современные и будущие потребности, как метрологического, так и научного сообществ, и призваны и поняты огромному большинству пользователей СИ в мире. Ясно, что такое допущение исключает рассмотрение глобальной реструктуризации СИ, например, замещение массы энергией в качестве основной величины и превращение массы в производную величину, что привело бы к джоулю как основной единице, а килограмму как производной единице, или замещение электрического тока зарядом в качестве основной величины, и превращение электрического тока в производную величину, что привело бы к кулону как основной единице, а амперу как производной единице. Оно также исключает замену наименования и обозначения современной единицы массы СИ, килограмма, kg, новым названием и обозначением, с которым могут применять префиксы СИ. Исторически килограмм, kg, содержит префикс СИ – кило, k, который означает, что другие префиксы СИ не могут использоваться либо с его названием, либо с символом, но должны применяться с названием грамм, g [1].

Вторая предпосылка заключается в том, что не всегда необходимо, чтобы новое определение основной единицы СИ, должно было позволять воспроизведение единицы с уменьшенной неопределенностью. В частности, преимущества, как для метрологии, так и для науки от замены действующего определения килограмма на другое, привязанное к точному значению постоянной Планка H, и действующего определения кельвина на определение, привязанное к точному значению постоянной Больцмана K, можно считать намного более весомыми по сравнению с любым допустимым увеличением в неопределенности реализации единицы массы СИ или термодинамической температуры. В действительности, «неопределенностью» массы, M(K), международного прототипа килограмма по отношению к фундаментальным фактически не известна. Как указано в [5], хотя M(K) может изменяться со временем сравнительно медленно, по отношению к массам распределенного по всему миру ансамбля Pt-Ir эталонов примерно одного возраста – возможно только на 50 µg за столетие – смещение всего ансамбля относительно естественной константы неизвестно на уровне ниже 1 mg за период 100 или даже 50 лет.

Третья предпосылка заключается в том, что единицы, которые должны быть переопределены и константы, к которым они должны быть привязаны, следовало бы выбрать таким образом, чтобы извлечь максимальную пользу, как для науки, так и для метрологии. В этой предпосылке, не полностью независимой от предыдущей, признается существенная проблема современной СИ: она должна служить двум конкурирующим и часто конфликтующим господам. Первый – это «ежедневная коммерция», которому требуется система единиц, одинаково удобная в широком диапазоне от покупки цыпленка в супермаркете до создания Международной космической станции. Второго назовем «квантовая физика», которому требуется система единиц для определения фундаментальных констант, например, постоянной Планка, H, элементарного заряда, E, и характеристик фундаментальных строительных блоков природы, таких как масса электрона, Me , и его магнитный момент, µе. В общем, потребности «первого господина» не требуют наименьших возможных неопределенностей, за исключением, возможно, времени (навигационным системам коммерческих спутников требуются шкалы времени и стабильные часы наивысшей точности), но задачи физики в общем плане, и квантовой физики, в частности, требуют наименьших возможных неопределенностей. Проблема резко высвечивается постановкой следующего вопроса [3]: «Почему изделие из сплава Pt-Ir, выкованное в 19-ом столетии, которое сидит в севрском подвале, должно в 21-ом столетии ограничивать наши познания о значения H и Me

Четвертая предпосылка заключается в том, что новое определение единицы не должно вносить резкого изменения в значение единицы. Это означает, что выбранные значения констант H, E, K и NA, используемые в новых определениях, должны быть настолько близки к их значениям в СИ, насколько позволяют современные знания. Смысл в том, что нельзя выбрать, например, значения постоянной Планка и элементарного заряда, H90 и E90, вытекающие из принятых в 1990 году условных значений констант Джозефсона и фон Клитцинга,

KJ-90=2E90/H90=483594,9 ГГц·В-1 и RK-90=H90/E290=25812,807 Ом [9], потому что известно из рекомендованных значений констант CODATA, 2002 года, что

KJ-90 И RK-90 не пренебрежимо мало отклоняются от наилучших значений постоянных Джозефсона и фон Клитцинга, KJ И RK, выраженных в единицах СИ [9].

1.3. ТРЕБОВАНИЯ К ДАННЫМ, ОЖИДАЕМЫМ К КОНЦУ 2011 ГОДА

Значения, рекомендованные CODATA 2002 для H, E, K и NA следующие [6]:

H=6.6260693 х10-34JS [1.7 x 10-7],

E=1.60217653(14) x 10-19C [8.5 x 10-8],

k=1.3806505(24) x 10-23J K-1 [1.8 x 10-6],

NA=6.0221415(10) x 1023mol-1 [1.7 x 10-7],

Где как принято, число в круглых скобках представляет собой численное значение стандартной неопределенности соотнесенное с последними двумя цифрами цитированного значения, а число в квадратных скобках – это соответствующая относительная стандартная неопределенность Ur.

2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕДИНИЦ

Формулировки новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля, которые привязывают эти единицы к точным значениям H, E, K и NA, соответственно представлены в «таблице 1». Окончательные формулировки любых новых определений, будут выбраны МКМВ для представления ГКМВ и последующего одобрения.

«Таблица 1» Определения килограмма, ампера, кельвина и моля, связывающие эти единицы с точными значениями постоянной Планка H, элементарным зарядом E, постоянной Больцмана K И постоянной Авогадро NA, соответственно.

Определение основных единиц

Таблица 1

Килограмм

Ампер

Кельвин

Моль

(kg-1а) Килограмм – это масса тела, эквивалентная энергия которого равна энергии некоторого количества фотонов с суммой частот, точно равной [(299792458)2/ 66260693]х1041 Герц

(kg-1b) Килограмм – это масса тела, частота де Бройля-Комптона которого точно равна [(299792458)2/

(6,6260693х10-34)] Герц

(А-1) Ампер – это электрический ток, направленный вдоль потока точно 1/(1,60217653х10-19) элементарных зарядов в секунду

(К-1) Кельвин – это изменение термодинамической температуры, которое получается при изменении тепловой энергии kT ровно на 1,380 6505х10-23 джоуля

(моль-1) Моль – это количество вещества системы, содержащей ровно 6,0221415х1023 структурных элементов, которые могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами, другими частицами или определенными группами таких частиц

(kg-2) Килограмм, единицы массы, при условии, что постоянная Планка точно равна 6,6260693х10-34 джоуль·секунда

(А-2) Ампер, единица электрического тока, при условии, что элементарный заряд равен точно 1,60217653х10-19 кулон

(К-2) Кельвин, единица термодинамической температуры, при условии, что постоянная Больцмана равняется 1,3806505х10-19 кулон

(моль-2) Моль, единица количества вещества определенного структурного элемента, которым может быть атом, молекула, ион, электрон, любая другая частица или определенная группа таких частиц, при условии, что постоянная Авогадро равна 6,0221415х1023 на моль

В данной таблице каждое определение в первой строке ясно определяет единицу через конкретную величину того же рода что и единица, и, через простое соотношение, подразумеваемое самим определением или одним или более законами физики, в неявной форме фиксирует значение фундаментальной константы; их называют «определения с единицами в явном виде». Каждое определение во второй строке в прямой форме фиксирует значение фундаментальной константы и, через простое соотношение, подразумеваемое самим определением или одним или более законами физики, в неявной форме определяет единицу; их называют «определения с константами в явном виде». Следует понимать, однако, что альтернативные определения для одной и той же единицы, в действительности, эквивалентны; они представляют собой только различные способы формулирования одного и того же определения.

Все действующие в настоящее время определения основных единиц СИ, могут интерпретироваться как относящиеся к типу определений с единицами в явном виде, хотя «константа», закрепленная в неявном виде каждым определением, не является обязательно традиционной фундаментальной физической константой. Например, современное определение в СИ секунды фиксирует значение Δν(133CS)hfs, частоты перехода, обусловленного сверхтонким расщеплением основного квантового состояния в атоме цезия-133, а определение кельвина фиксирует значение TTPW, термодинамической температуры тройной точки воды. Константы, чьи значения закреплены определениями пяти других основных единиц СИ – метра, килограмма, ампера, моля и канделы следующие: C0, M(K), µ0, молярная масса углерода 12, М(12С), и спектральная световая эффективность монохроматического излучения частотой 540 х1012 Гц, K(λ555) (длина волны излучения частотой 540х1012 Гц составляет приблизительно 555 нанометров). Одна сложность, которую имеют такие определения, включая, те, которые приведены в первой строке таблицы 1, и которой нет у определений с константами в явном виде, приведенных в строке два, заключается в том, что постоянная, к которой привязана единица и ее значение, не просматривается явно. Однако в каждом случае преследуется двойная цель, - определить единицу, и зафиксировать значение константы.

2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ЕДИНИЦАМИ В ЯВНОМ ВИДЕ

Очевидно, что существует много возможных формулировок для каждого определения единицы, но для простоты приведем только две – для килограмма и по одной для трех других рассматриваемых единиц.

2.2.1. КИЛОГРАММ

Для определения килограмма с единицей в явном виде было предложено два различных подхода к формулировке, однако, они приводят к аналогичным определениям. Один подход основан на установлении равенства между эквивалентной энергией тела массой один килограмм и энергией некоторого количества фотонов [5]. Другой основан на приписывании определенного значения «Комптоновской частоте» (иногда называемой частотой «де Бройля-Комптона») тела массой один килограмм [9].

(кг – 1а) Килограмм представляет собой массу тела, эквивалентная энергия которого равна эквивалентной энергии некоторого количества фотонов, частоты которых в сумме составляют точно [(299 792 458)2/66260993]х1041герц.

(кг - 1б) Килограмм представляет собой массу тела, частота де Бройля-Комптона которого точно равна [(299 792 458)2/6.6260693х10-34] Гц.

2.2.2. АМПЕР

Довольно прямое определение с единицей в явном виде, связывающее ампер с точным значением Е, читается так:

(А-1) Ампер – это электрический ток, направленный вдоль потока точно 1/(1.60217653х10-19) элементарных зарядов в секунду.

2.2.3. КЕЛЬВИН

Кельвин, единица термодинамической температуры, может быть привязана к точному значению K через определение, которое четко указывает значение коэффициента преобразования фактически является постоянная Больцмана K с размерностью Дж·К-1.

(К-1) Кельвин равен изменению термодинамической температуры, которое вызывает изменение тепловой энергии KT точно на 1,380 6505х10-23 джоуля.

2.2.4. МОЛЬ

Прежде чем давать определение моля, было бы полезно проанализировать смысл ныне действующего определения моля, которое предполагает, что килограмм определен независимою это определение выглядит следующим образом:

1. Моль равен количеству вещества системы, которая содержит столько же структурных элементов, сколько имеется атомов в 0,012 кг углерода 12. Русским обозначением этой единицы измерения является «моль», международным – «mol».

2. При применении моля, структурные элементы специфицируются и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами, другими частицами или специфицированными группами частиц.

Определение с единицей в явном виде выглядит следующим образом:

(моль-1) Моль равен количеству вещества системы, содержащей точно 6,022 1415х1023 специфицированных структурных элементов, которые могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами, другими частицами или специфицированными группами таких частиц.

2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ С КОНСТАНТАМИ В ЯВНОМ ВИДЕ

Такое определение просто устанавливает, что единица определения путем приписывания определенной фундаментальной константе точного, специфицированного значения.

(м-2) Метр, единица длины, таков, что скорость света в вакууме равна точно 299 792 458 метрам в секунду.

(с-2) Секунда, единица времени, такова, что частота перехода между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133 равна точно 9 192 631 770 герц.

(кд-2) Кандела, единица силы света в заданном направлении, такова, что спектральная световая эффективность монохроматического излучения частотой 540х1012 герц, точно равна 683 люменам на ватт.

(кг-2) Килограмм, единица массы, таков, что постоянная Планка точно равна 6,626 069х10-34 Дж·с.

(А-2) Ампер, единица электрического тока, таков, что элементарный заряд точно равен 1,602 17653х10-23 кулона.

(К-2) Кельвин, единица термодинамической температуры, таков, что постоянная Больцмана точно равна 1,3806505х10-23 джоуля на кельвин.

(моль-2) Моль, единица количества вещества специфического структурного элемента, которым может быть атом, молекула, ион, электрон, любая другая частица или специфицированная группа таких частиц, таков, что постоянная Авогадро точно равна 6,022 1415х1023/ моль.

3. ОБСУЖДЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИЛОГРАММА, АМПЕРА, КЕЛЬВИНА И МОЛЯ

Новое определение четырех основных единиц СИ, обсуждаемое в данном реферате, приведет к достаточно глубоким изменениям в СИ. Это принесет значительную пользу и метрологии, и науке, приблизив нас на шаг ближе у давно искомой, но труднодостижимой задаче – связать основную единицу СИ с важной фундаментальной константой природы и иметь большое количество фундаментальных констант, либо точно известных, либо известных с очень незначительными неопределенностями при выражении их в единицах СИ. В связи с тем, что изменения в результате таких широкомасштабных перемен будут значительны, до того как они произойдут, их следует широко обсудить как среди метрологической, так и среди научной общественности.

3.1. СРОКИ ВВЕДЕНИЯ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Предполагается, что все четыре новых определения – килограмма, ампера, кельвина и моля – будут приняты в единой резолюции. Считается, что они образуют когерентный самосогласованный ряд, который не может быть нарушен и который только при одновременном принятии всех четырех новых определений принесет максимальную пользу как для метрологии, так и для фундаментальных констант. Например, если все четыре определения осуществить одновременно,

I - положительным окажется тот факт, что значительная часть метрологического сообщества, несомненно, сосредоточится на этих изменениях, и тем самым неудобства для практической метрологии, связанные с этими изменениями, будут сведены к минимуму;

II - максимальное количество фундаментальных констант становится точно известным, включая все коэффициенты, необходимые для преобразования значения связанной с энергией величины, выраженной либо в джоулях, килограммах, обратных метрах, герцах, кельвинах либо электровольтах, в значение, выраженное в одной из прочих единиц без какой-либо дополнительной неопределенности;

III - В частности, определения килограмма и ампера, которые призывают эти единицы к точным значениям H И E, должны рассматриваться как неделимая пара, так как они необходимы для точного определения постоянной Джозефсона KJ =2E/H И постоянной Клитцинга Rk=H/E2, что позволяет использовать эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла для реализации единиц СИ – ампера, вольта, ома, ватта, фарады и генри без составляющей неопределенности, обусловленной неопределенностью KJ и/или Rk.

IV - Значение СИ как общего языка измерений для внятного диалога между практической метрологией и квантовой физикой значительно возрастет.

Этот последний вопрос очень важен и заслуживает уточнения. Следует признать, что потребности этих двух сообществ – различны и, следовательно, измерительная система, предназначенная исключительно для удовлетворения потребностей одного сообщества, будет неадекватным образом решать задачи другого сообщества. Это значит, что любая система, предназначенная для удовлетворения требований обоих сообществ так, чтобы эти два сообщества могли свободно и легко общаться, должна, по необходимости, быть компромиссной системой. Хотя СИ служила в качестве такой системы достаточно хорошо, мы считаем, что последние достижения в области физики, как теоретической, так экспериментальной, вывели ныне действующую СИ на тот уровень, при котором, если не будут приняты новые определения в 2011 году, он может скоро стать препятствием на пути прогресса, особенно для многих видов деятельности, ведущейся в настоящее время для расширения наших знаний о величинах фундаментальных физических констант, выраженных в единицах СИ.

3.2. КЛЮЧЕВЫЕ ВОПРОСЫ

При введении новых определений было бы полезно рассмотреть некоторые предпосылки и причины такого значительного изменения СИ. Например, в дополнение к вопросам, рассмотренным в пунктах II и III, и относящимся к преимуществам точно известных коэффициентов преобразования энергии, таких как KJ и Rk, следует отметить следующие дополнительные моменты:

I´ - признание значительных усилий, предпринятых национальными метрологическими институтами (НМИ) и МБМВ за последние несколько десятилетий по усовершенствованию СИ путем привязки основных единиц СИ к инвариантам природы, фундаментальным физическим константам. Важнейшим примером являются метр и скорость света в вакууме.

II´ - что килограмм является единственной основной единицей СИ, которая все еще определяется через материальный артефакт – международный прототип килограмма, что определения ампера, моля и канделы зависят от килограмма и что масса международного прототипа m (K), безусловно, изменяется во времени.

III´ - рекомендация ГКМВ 1999 года, чтобы НМИ «продолжали свою деятельность по усовершенствованию экспериментов, привязывающих единицу массы к фундаментальным или атомным константам с целью будущего переопределения килограмма» и что значительный прогресс был достигнут за последние годы в привязке массы международного прототипа к инвариантным фундаментальным константам H И NA.

IV´ - целесообразность переопределения кельвина состоит в том, что он привязывается к точному значению K, тем самым устраняются проблемы, связанные с ныне действующим определением кельвина, основанным на TTPW, которое зависит от чистоты и изотропного состава используемого образца воды.

V´ - целесообразность переопределения моля заключается в том, что он привязывается к точному значению NA, даже когда килограмм определяется таким образом, что он привязан к точному значению h, тем самым устраняет зависимость моля от килограмма,

VI´ - что неопределенности рекомендованных значений многих фундаментальных констант будут устранены, либо значительно сокращены, а возможные изменения в рекомендованных значениях этих констант, которые не станут точными после будущих уточнений CODATA, также будут значительно уменьшены.

Следовало бы подчеркнуть, что результаты экспериментов, связывающих килограмм с фундаментальными константами, в настоящее время достигли такого уровня неопределенностей, что будущие успехи вряд ли окажут значительное влияние на практическую метрологию в области измерения массы.

Новые определения должны сопровождаться четким изложением следующей информации:

I точные значения H, E, K И NA, к которым привязаны килограмм, ампер, кельвин и моль, соответственно, посредством новых определений.

II точные значения KJ=2E/H И Rk=H/E2 и тот факт, что нет необходимости по-прежнему использовать условные значения KJ-90 и Rk-90,

III M(K), масса международного прототипа килограмма, больше не является точно известной и должна быть определена экспериментально, но ее значение согласуется с 1 кг в пределах неопределенности примерно две части на 108,

IV µ0, ε0=1/(µ0Co2) И Z0=(µ0/ε0)1/2=µ0C0, магнитная постоянная, электрическая постоянная и волновое сопротивление в вакууме, более не являются точно известными и должны быть определены экспериментально, но значение µ0 согласуется с 4π10-7NA-2 в пределах неопределенности примерно одна часть на 109,

V TTPW, тройная точка воды, больше не является точно известной и должна быть определена экспериментально, но ее значение согласуется с 273,16К в пределах неопределенности примерно 0,25 мК,

VI М(12С), молярная масса углерода 12, больше не является точно известной и должна быть определена экспериментально, но ее значение согласуется с 0,012 кг моль-1 в пределах неопределенности менее двух частей на 109.

Относительные стандартные неопределенности, указанные выше для значения M(K),µ0, TTPW И М(12С), которые будут применяться после перехода на новые определения, отражают то, чего вполне можно ожидать в то время, когда новые определения будут приняты ГКМВ, предположительно в 2011 году. Они, так же, как точные значения H, E, K И NA, используемые в новых определениях будут основаны на рекомендованных значениях (CODATA 2010) фундаментальных констант.

Для ускорения введения новых определений к 2011 году и после этой даты, различным органам надлежит проводить определенную работу. Например, соответствующие комитеты должны разработать инструкцию по практическому использованию нового определения килограмма, которая должна содержать рекомендации относительно различных экспериментов, связывающих массу с фундаментальными константами, а также рекомендации по продолжению использования нынешнего артефакта для поддержания существующего на данный момент идеального единообразия эталонов массы во всем мире. Соответствующие комитеты также должны подготовить соответствующие инструкции по практической реализации ампера, кельвина и моля, включая в последнем случае информацию о том, каким образом молярная масса специфического структурного элемента должна рассчитываться на основе нового определения моля, так как молярная масса для атома углерода 12, больше не равна точно 0,012 кг моль-1. Эти же самые комитеты должны публиковать время от времени наилучшую оценку и связанную с ней неопределенность массы СИ с учетом всей соответствующей информации, имеющейся на данный момент, а также наилучшие оценки и связанные с ними неопределенности µ0, ε0, Z0, TTPW и М(12С) для применения в практической метрологии.

4. НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ, ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ НОВЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ ЕДИНИЦ, ДЛЯ СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКИ

Данный раздел посвящен обсуждению влияния новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля на метрологию массы, электрическую метрологию, термометрию и химию. Предполагается, что преимущества предлагаемого переопределения этих единиц будут очевидными.

4.1. ВЛИЯНИЕ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИЛОГРАММА

Ряд преимуществ для метрологии будет, безусловно, проистекать из переопределения килограмма, связанного с точно известным значением постоянной Планка H. Однако наиболее значительное преимущество связано с тем, что оно «освобождает» измерения массы от единицы, основанной на артефакте. Это означает, что различные лаборатории могут воспроизводить эту единицу по желанию: давно стоящая метрологическая цель найти возможность воспроизведения килограмма в любое время, в любом месте, любым оператором с требуемой неопределенностью, будет теперь ограничена только финансовыми и/или человеческими ресурсами, имеющимися в данной лаборатории.

Предполагается также, что МБМВ будет иметь свои собственные ватт-весы, что позволит:

I контролировать массу международного прототипа килограмма, который будет играть важную роль при введении в практику нового определения килограмма,

II предоставлять калибровочные услуги в области массы, как это положено странами-участницами Метрической конвенции, как это делалось с 1899 года и

III помогать НМИ демонстрировать, посредством соответствующего ключевого сличения транспортируемых эталонов сравнения массы, что их воспроизведения новой единицы согласуются между собой и имеют те неопределенности, которые заявлены.

4.2. ВЛИЯНИЕ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЕРА

Как ранее обсуждалось, при привязке килограмма к точному значению H, а ампера к точному значению E, KJ И Rk становятся точно известными, а эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла могут использовать для непосредственной реализации определений СИ большинства электрических единиц. Таким образом, ныне действующая система уловных электрических единиц, основанных на этих двух эффектах и условных значениях KJ-90 и RK-90, могла бы быть заменена самими единицами СИ, что, очевидно, представляет собой значительный прогресс.

4.3. ВЛИЯНИЕ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КЕЛЬВИНА

Поскольку термометры, которые можно непосредственно использовать для определения термодинамической температуры T и которые часто называют «первичными термометрами», немногочисленны, сложны в употреблении и не так точны, как многие практические термометры, величиной, которую определяют в огромном большинстве сегодняшних температурных измерений, является не термодинамическая температура, а Международная температура в кельвинах T90 или ее эквивалент температура в градусах Цельсия – Международная температура в градусах Цельсия T90, определяемая как

T90 / ͦС=T90/K – 273,15. Величины T90 И T90 являются температурами, определяемыми по Международной температурной шкале 1990 года – МТШ-90, которая охватывает диапазон от 0,65К до самых высоких температур, измеряемых на практике при помощи закона излучения Планка для монохроматического излучения. МТШ-90 недавно была дополнена временной шкалой для низких температур PLTS-2000, которая охватывает диапазон от 0,9мкК до 1К и определяет соответствующую новую величину T2000.

Вкратце, температуры, определяемые по МТШ-90, основаны на 17 состояниях фазового равновесия конкретных чистых веществ (определяющие шкалу реперные точки) и предписанных методах интерполяции между ними, в которых зафиксированы конкретные инструменты и уравнения, связывающие измеренные свойства этих инструментов с T90.

Одной из определяющих реперных точек МТШ-90 является тройная точка воды TTPW, которой в соответствии с определением кельвина приписывается точное значение 273,16К [1]. Как было сказано ранее, ожидается, что к концу 2010 года постоянная Больцмана будет известна с неопределенностью Ur1x10-6 что соответствует неопределенности 0,25 мК для TTPW .

4.4. ВЛИЯНИЕ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛЯ

Одно из наиболее важных преимуществ нового определения моля, которое связано с точно известным значение числа Авогадро NA заключается в том, что другие константы становятся точно известными, а именно, постоянная Фарадея F, молярная газовая постоянная R, постоянная Стефана-Больцмана σ и молярный объем идеального газа Vm . И все это имеет практическую важность в ряде областей химии и физики. Например, при точно известном значении постоянной Фарадея электрохимические измерения можно использовать для определения молярной массы комплексных соединений без дополнительной неопределенности, возникающей из-за недостаточного знания о F. С другой стороны, из-за нового определения моля все - таки возникает вопрос о предпочтительном способе расчета молярной массы, вопрос, который кратко изложен в «таблице 2».

«Таблица 2» Краткое изложение описанного расчета молярной массы в соответствии с действующим определением моля, и когда моль переопределен на основе фиксации значения числа Авогадро . Здесь M(K) есть масса структурного элемента Х, NA И М(Х) Являются соответственно постоянной Авогадро и молярной массой структурного элемента Х, когда моль и килограмм определяются сегодняшним способом, Есть молярная масса структурного элемента , когда моль определяется через , а килограмм через , и коэффициент молярной массы .

Расчет молярной массы под влиянием нового определения моля

Таблица 2

Величина

Отношения, подходящие для расчета молярной массы М(Х), когда моль определяется сегодняшним способом

Отношение, подходящие для расчета молярной массы ,когда моль определяется через

Унифицированная атомная единица массы, постоянная атомной массы

Постоянная молярной массы

Относительная атомная масса структурного элемента Х

Относительная атомная масса 12С

Молярная масса структурного элемента Х

Молярная масса 12С

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленная мною цель в начале исследования достигнута. Переопределение основных единиц СИ через фундаментальные физические константы позволяет повысить точность и воспроизводимость данных единиц.

Новые определения основных единиц СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля путем их связи с точно известными значениями постоянной Планка H, элементарного заряда E, постоянной Больцмана K и числа Авогадро NA , соответственно, как было предложено в данной работе будет крайне выгодно как для метрологии, так и для нашего знания о значениях фундаментальных физических констант в единицах СИ для квантовой физики.

Поставленные задачи решены в большей или меньшей степени. На основе анализа существующих определений основных единиц СИ оценено влияние новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля на метрологию массы, электрическую метрологию, термометрию и химию. Предполагается, что преимущества предлагаемых переопределений этих единиц будут очевидными.

Замена современных определений единиц измерения основанных на артефактах, на определение на основе констант планируется на 24-й ГКМВ в 2011 году.

 
« Пред.   След. »
Пользователей: 311
Новостей: 663
Ссылок: 0