2018. aastat võib metroloogias nimetada saatuslikuks aastaks, sest käes on tõeline tehnoloogilise revolutsiooni aeg rahvusvahelises füüsikaliste suuruste ühikute süsteemis SI. See puudutab peamiste füüsikaliste suuruste määratluste läbivaatamist. Kas kilogramm kartuleid supermarketis kaalub nüüd uutmoodi? C kartulid on samad. Midagi muud muutub.
Enne SI-süsteemi
Iidsetel aegadel oli vaja ühtseid kaalu- ja mõõtstandardeid. Kuid mõõtmiste üldreeglid muutusid eriti vajalikuks teaduse ja tehnika arengu tulekuga. Teadlased pidid rääkima ühises keeles: mitu sentimeetrit on üks jalg? Ja mis on sentimeeter Prantsusmaal, kui see pole sama mis itaalia keel?
Prantsusmaa võib nimetada auveteraniks ja ajalooliste metroloogiliste lahingute võitjaks. Just Prantsusmaal 1791. aastal kinnitati mõõtesüsteem ametlikult ja nendeühikud ning peamiste füüsikaliste suuruste määratlused kirjeldati ja kinnitati riigidokumentidena.
Prantslased said esimesena aru, et füüsikalised suurused tuleb siduda loodusobjektidega. Näiteks üks meeter on kirjeldatud kui 1/40 000 000 meridiaani pikkusest põhjast lõunasse ekvaatori suunas. Ta oli seega seotud Maa suurusega.
Üks grammi on seotud ka loodusnähtustega: seda määratleti kui vee massi kuupsentimeetris nullilähedasel temperatuuril (jää sulamine).
Kuid nagu selgus, ei ole Maa sugugi täiuslik pall ja vesi kuubis võib omada mitmesuguseid omadusi, kui see sisaldab lisandeid. Seetõttu erinesid nende koguste suurused planeedi erinevates osades üksteisest veidi.
19. sajandi alguses astusid ärisse sakslased eesotsas matemaatik Karl Gaussiga. Ta tegi ettepaneku uuendada sentimeeter-gramm-sekund mõõtühikute süsteemi ja sellest ajast alates on meetermõõdustiku ühikud läinud maailma, teadusse ja on tunnustatud rahvusvahelise üldsuse poolt, on moodustatud rahvusvaheline füüsikaliste suuruste ühikute süsteem.
Meridiaani pikkus ja veekuubiku mass otsustati asendada Pariisi kaalude ja mõõtude büroos talletatud etalonidega, kusjuures koopiad jagati mõõdikus osalevatele riikidele. konventsioon.
Kilogramm nägi näiteks välja nagu plaatina ja iriidiumi sulamist valmistatud silinder, millest ei saanud lõpuks samuti ideaalset lahendust.
Füüsikaliste suuruste ühikute rahvusvaheline süsteem SI loodi 1960. aastal. Alguses sisaldas see kuuspõhisuurused: meetrid ja pikkus, kilogrammid ja mass, aeg sekundites, voolutugevus amprites, termodünaamiline temperatuur kelvinites ja valgustugevus kandelates. Kümme aastat hiljem lisati neile veel üks – aine kogus, mõõdetuna moolides.
Oluline on teada, et kõiki teisi rahvusvahelise süsteemi füüsikaliste suuruste mõõtühikuid peetakse põhisuuruste tuletisteks ehk neid saab SI-süsteemi põhisuuruste abil matemaatiliselt arvutada.
Eemal standarditest
Füüsilised standardid osutusid mitte kõige usaldusväärsemaks mõõtmissüsteemiks. Kilogrammi standardit ennast ja selle koopiaid riikide kaupa võrreldakse perioodiliselt üksteisega. Kooskõlastused näitavad muutusi nende standardite massides, mis tekivad erinevatel põhjustel: tolm kontrollimise ajal, koostoime alusega või muul põhjusel. Teadlased on neid ebameeldivaid nüansse märganud juba pikka aega. Kätte on jõudnud aeg vaadata üle metroloogia rahvusvahelise süsteemi füüsikaliste suuruste ühikute parameetrid.
Seetõttu muutusid mõned suuruste määratlused järk-järgult: teadlased püüdsid eemalduda füüsikalistest standarditest, mis aja jooksul ühel või teisel viisil muutsid nende parameetreid. Parim viis on koguste tuletamine muutumatute omaduste, näiteks valguse kiiruse või aatomite struktuuri muutuste alusel.
SI-süsteemi revolutsiooni eelõhtul
Peamised tehnoloogilised muudatused füüsikaliste suuruste ühikute rahvusvahelises süsteemis viiakse läbi Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Büroo liikmete hääletamise teel aastakonverentsil. Kinnitamise korral jõustuvad muudatused mõne aja pärastkuud.
See kõik on äärmiselt oluline teadlastele, kelle uuringud ja katsed nõuavad mõõtmiste ja koostiste ülimat täpsust.
Uued 2018. aasta võrdlusstandardid aitavad saavutada kõrgeimat täpsust mis tahes mõõtmisel igal ajal, igal ajal ja skaalal. Ja seda kõike ilma täpsuse vähenemiseta.
Suuruste ümberdefineerimine SI-süsteemis
See puudutab nelja seitsmest füüsilisest põhisuurusest. Järgmised kogused otsustati ühikutega uuesti määratleda:
- kilogramm (mass), kasutades avaldises Plancki konstandi ühikuid;
- amper (vool) koos laengu mõõtmisega;
- kelvin (termodünaamiline temperatuur) ühikuavaldisega, kasutades Boltzmanni konstanti;
- mool läbi Avogadro konstandi (ainekogus).
Ülejäänud kolme koguse puhul muudetakse definitsioonide sõnastust, kuid nende olemus jääb muutumatuks:
- meeter (pikkus);
- sekund (aeg);
- kandela (valguse intensiivsus).
Muudatused võimendiga
Mis on amper kui füüsikaliste suuruste ühik tänapäeval rahvusvahelises SI-süsteemis, pakuti välja juba 1946. aastal. Määratlus seoti kahe juhi vahelise voolu tugevusega vaakumis ühe meetri kaugusel, täpsustades kõik selle struktuuri nüansid. Ebatäpsus ja tülikas mõõtmine on selle määratluse kaks peamist omadust tänapäeva vaatenurgast.
Uues määratluses on amper elektrivool, mis on võrdnefikseeritud arvu elektrilaengute voog sekundis. Ühik on väljendatud elektronide laengutes.
Uuendatud ampri määramiseks on vaja ainult ühte tööriista – nn üheelektronpumpa, mis on võimeline elektrone liigutama.
Uus mooli ja räni puhtus 99,9998%
Mooli vana definitsioon on seotud aine kogusega, mis võrdub aatomite arvuga süsiniku isotoobis massiga 0,012 kg.
Uues versioonis on see aine kogus, mis sisaldub täpselt määratletud arvus kindlaksmääratud struktuuriüksustes. Neid ühikuid väljendatakse Avogadro konstandi abil.
Avogadro numbriga on ka palju muresid. Selle arvutamiseks otsustati luua räni-28 kera. Seda räni isotoopi iseloomustab täpne kristallvõre kuni täiuslikkuseni. Seetõttu saab selles olevate aatomite arvu täpselt loendada lasersüsteemi abil, mis mõõdab kera läbimõõtu.
Muidugi võib väita, et räni-28 kera ja praeguse plaatina-iriidiumi sulami vahel pole põhimõttelist erinevust. Nii see kui ka muu aine kaotab aja jooksul aatomeid. Kaotab, eks. Kuid räni-28 kaotab neid prognoositava kiirusega, nii et viidet kohandatakse kogu aeg.
Sfääri puhtaim räni-28 saadi hiljuti USA-st. Selle puhtus on 99,9998%.
Ja nüüd Kelvin
Kelvin on üks füüsikaliste suuruste ühikuid rahvusvahelises süsteemis ja seda kasutatakse termodünaamilise temperatuuri taseme mõõtmiseks. "Vanal viisil" on võrdne 1/273, 16osad vee kolmikpunkti temperatuurist. Vee kolmikpunkt on äärmiselt huvitav komponent. See on temperatuuri ja rõhu tase, mille juures vesi on korraga kolmes olekus – "aur, jää ja vesi".
Mõlema jalaga lonkamise määratlus järgmisel põhjusel: kelvini väärtus sõltub eelkõige vee koostisest, mille isotoopide suhe on teoreetiliselt teada. Kuid praktikas oli selliste omadustega vett võimatu saada.
Uus kelvin defineeritakse järgmiselt: üks kelvin võrdub soojusenergia muutusega 1,4 × 10−23j. Ühikud on väljendatud Boltzmanni konstandi abil. Nüüd saab temperatuuritaset mõõta, fikseerides helikiiruse gaasisfääris.
Kilogramm ilma standardita
Me juba teame, et Pariisis on plaatina standard iriidiumiga, mis metroloogias ja füüsikaliste suuruste ühikute süsteemis kasutamise käigus oma kaalu kuidagi muutis.
Kilogrammi uus määratlus on: Üks kilogramm on väljendatud Plancki konstandi jagatuna 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Massi saab nüüd mõõta "vati" skaalal. Ära lase nimel end petta, need ei ole tavalised kaalud, vaid elekter, millest piisab, et tõsta teisel pool kaalu lebavat eset.
Muudatused füüsikaliste suuruste ühikute ja nende süsteemi kui terviku koostamise põhimõtetes on vajalikud ennekõike teaduse teoreetilistes valdkondades. Uuendatud süsteemi peamised teguridon nüüd loomulikud konstandid.
See on loogiline järeldus rahvusvahelise tõsiste teadlaste rühma aastatepikkusest tegevusest, kelle pikaajaliste pingutuste eesmärk oli leida ideaalseid mõõtmisi ja ühikute määratlusi, mis põhinevad fundamentaalfüüsika seadustel.
