Альтернативные подходы к переопределению килограмма - Alternative approaches to redefining the kilogram
Научное сообщество было рассмотрено несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма до принятия решения о переосмыслении базовых единиц СИ в ноябре 2018. Каждый подход имел свои преимущества и недостатки.
До переопределения килограмм и несколько других единиц СИ, основанных на килограмме, определялись искусственным металлическим объектом, называемым международным прототипом килограмма (IPK). По общему мнению, следует заменить старое определение килограмма.
Международный комитет мер и весов (CIPM) одобрил новое определение основных единиц СИ в ноябре 2018 года, которое определяет килограмм, определяя постоянную Планка как6,626 070 15 × 10 -34 kg⋅m 2 ⋅s -1 . Этот подход эффективно определяет килограмм с точки зрения секунды и метра и вступил в силу 20 мая 2019 года.
В 1960 году измеритель, который ранее аналогичным образом определялся со ссылкой на один платино-иридиевый стержень с двумя отметками на нем, был переопределен в терминах инвариантной физической константы (длина волны конкретного излучения света, излучаемого криптоном , а затем скорость света ) , так что стандарт может быть независимо воспроизведены в разных лабораториях, следуя письменную спецификацию.
На 94-м заседании Международного комитета мер и весов (CIPM) в 2005 г. было рекомендовано сделать то же самое с килограммом.
В октябре 2010 года МК проголосовали представить резолюцию для рассмотрения на Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM), чтобы «принять к сведению намерения» , что килограммовый быть определены в терминах постоянная Планка , ч (который имеет размеры энергии, умноженной на время) вместе с другими физическими константами. Эта резолюция была принята 24-й конференцией CGPM в октябре 2011 года и дополнительно обсуждена на 25-й конференции в 2014 году. Хотя Комитет признал, что был достигнут значительный прогресс, они пришли к выводу, что данные еще не выглядят достаточно надежными для принятия пересмотренной версии. определение, и эта работа должна продолжаться, чтобы позволить принять его на 26-м заседании, запланированном на 2018. Такое определение теоретически позволит использовать любой прибор, способный определять килограмм в терминах постоянной Планка, пока он обладает достаточным точность, аккуратность и стабильность. Kibble баланс является одним 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 прослеживаются к ним. Другие были основаны на устройствах, которые измеряли либо ускорение, либо вес настраиваемых вручную килограммовых контрольных 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 тяжести в лабораториях. Все подходы точно фиксировали бы одну или несколько констант природы на определенном значении.
Кормовой баланс
Kibble баланс (известный как «ватт баланс» до 2016 года) является по существу одним сковорода весами , которые измеряют электроэнергии , необходимые , чтобы противостоять весу испытываемых килограмм массы , как это вытягиваются под действием силы тяжести Земли. Это вариант баланса ампер с дополнительным шагом калибровки, который устраняет влияние геометрии. Электрический потенциал в Кибла баланса очерчен с помощью стандартного напряжения Джозефсона , что позволяет напряжениям быть связанно с инвариантной константой природы с чрезвычайно высокой точностью и стабильностью. Его сопротивление цепи откалибровано по стандарту сопротивления квантового эффекта Холла .
Весы Kibble требуют чрезвычайно точного измерения местного ускорения свободного падения g в лаборатории с помощью гравиметра . Например, когда высота центра гравиметра отличается от возвышения близлежащей испытательной массы на весах Киббла, NIST компенсирует градиент силы тяжести Земли 309 мкГал на метр, что влияет на вес испытательной массы в один килограмм примерно на 316 мкг / м.
В апреле 2007 года реализация весов Киббла в NIST продемонстрировала комбинированную относительную стандартную неопределенность (CRSU) 36 мкг. Весы Kibble Национальной физической лаборатории Великобритании продемонстрировали CRSU 70,3 мкг в 2007 году. Эти весы Kibble были разобраны и отправлены в 2009 году в Канадский институт национальных стандартов измерения (часть Национального исследовательского совета ), где исследования и разработки с устройством могут продолжаться. .
Гравитация и природа весов Киббла, которые колеблют испытательные массы вверх и вниз против местного гравитационного ускорения g , используются таким образом, чтобы механическая мощность сравнивалась с электрической мощностью, которая представляет собой квадрат напряжения, деленный на электрическое сопротивление. Тем не менее, g изменяется значительно - почти на 1% - в зависимости от того, где на поверхности Земли производится измерение (см . Гравитацию Земли ). Также наблюдаются небольшие сезонные колебания g из-за изменений уровня подземных вод, а также более крупные полумесячные и суточные изменения из-за приливных искажений формы Земли, вызванных Луной и Солнцем. Хотя g не будет термином в определении килограмма, он будет иметь решающее значение в процессе измерения килограмма при соотнесении энергии с мощностью. Соответственно, g должен быть измерен по крайней мере с такой же точностью и точностью, как и другие члены, поэтому измерения g также должны быть прослежены до фундаментальных констант природы. Для наиболее точной работы в метрологии массы g измеряется с помощью абсолютных гравиметров падающей массы, которые содержат стабилизированный йодом гелий-неоновый лазерный интерферометр . Бахрома-сигнал , частота развертка с выходом интерферометра, измеряются с помощью рубидия атомных часов . 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 '' в 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 от9.801 016 44 м / с 2 .
Достоинство электронных реализаций, таких как весы Kibble, заключается в том, что определение и распространение 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. В весах Kibble килограмм определяется в терминах электричества и силы тяжести, и все это связано с инвариантами природы; он определяется способом, который напрямую прослеживается к трем фундаментальным константам природы. Постоянная Планка определяет килограмм через секунды и метр. При фиксировании постоянной Планка определение килограмма зависит, кроме того, только от определения секунды и метра. Определение второго зависит от единственной определенной физической константы: частоты сверхтонкого расщепления в основном состоянии атома цезия-133 Δ ν ( 133 Cs) hfs . Счетчик зависит от секунды и дополнительной определенной физической константы: скорости света c . С таким переопределением килограмма физические объекты, такие как IPK, больше не являются частью определения, а вместо этого становятся стандартами 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 сравнении масс в воздухе . В качестве альтернативы можно было бы исследовать совершенно другие материалы и конструкции с целью создания массовых эталонов с большей стабильностью. Например, сплавы осмий- иридий можно исследовать, если окажется, что склонность платины к поглощению водорода (из-за катализа ЛОС и чистящих растворителей на основе углеводородов) и атмосферная ртуть являются источниками нестабильности. Кроме того, осажденные 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 практическими реализациями килограмма. Почти каждый аспект весов Kibble и их вспомогательного оборудования требует такой необычайно 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 эталона сопротивления, каждый из которых подвергался ротации на весах Kibble каждые две-шесть недель после калибровки в другой части штаб-квартиры NIST в Гейтерсбурге, штат Мэриленд . Было обнаружено, что простое перемещение эталонов сопротивления по коридору к весам Киббла после калибровки изменяет их значения на 10 частей на миллиард (эквивалент 10 мкг) или более. Современных технологий недостаточно, чтобы обеспечить стабильную работу весов Kibble даже между двухгодичными калибровками. Когда новое определение вступит в силу, вероятно, будет всего несколько - самое большее - весов Kibble, первоначально работающих в мире.
Альтернативные подходы к переопределению килограмма
Несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма, которые фундаментально отличались от весов Киббла, были изучены в разной 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. Альтернативные подходы включали:
Подходы с подсчетом атомов
Авогадро проект
Другой постоянная основой Авогадро подход, известный как Международный Авогадро Координационного «ы проект Авогадры , был бы определить и очертить килограмм в качестве 93.6 диаметра шара мм из кремниевых атомов. Кремний был выбран потому, что уже существует коммерческая инфраструктура со зрелой технологией для создания бездефектного сверхчистого монокристаллического кремния, процесс Чохральского , для обслуживания полупроводниковой промышленности.
Для практической реализации килограмма будет произведена кремниевая буля (стержневой монокристаллический слиток). Его изотопный состав будет измеряться с помощью масс-спектрометра, чтобы определить его среднюю относительную атомную массу. Були нарезали, шлифовали и шлифовали на сферы. Размер выбранной сферы можно было бы измерить с помощью оптической интерферометрии с погрешностью около 0,3 нм по радиусу - это примерно один атомный слой. Точный шаг решетки между атомами в его кристаллической структуре (≈ 192 пм) можно было бы измерить с помощью сканирующего рентгеновского интерферометра . Это позволяет определить его атомный интервал с погрешностью всего в три части на миллиард. Зная размер сферы, ее среднюю атомную массу и межатомное расстояние, требуемый диаметр сферы может быть рассчитан с достаточной точностью и малой неопределенностью, 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 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 весов с двумя чашами, таких как весы FB ‑ 2 от BIPM (см. § Внешние ссылки , 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 массового артефакта, с которым можно было бы сравнивать. Одноканальные весы , которые измеряют вес относительно инварианта природы, неточны 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 глубине 5–20 атомов кремния) из диоксида кремния ( кварца ) и монооксида 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 являются благородными металлами , примерно такими же катодными, как и кислород, и поэтому не окисляются, если их не уговорить сделать это в лаборатории. Наличие тонкого оксидного слоя на прототипе кремниевой массы накладывает дополнительные ограничения на процедуры, которые могут быть подходящими для его очистки, чтобы избежать изменения толщины слоя или стехиометрии оксида .
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: 29 Si и 30 Si. Как описано в § Углерод-12 ниже, этот метод будет определять величину килограмма в терминах определенного числа из 12 атомов углерода, фиксируя постоянную Авогадро; кремниевый шар был бы практической реализацией . Этот подход может точно определить величину килограмма, поскольку массы трех нуклидов кремния относительно 12 C известны с большой точностью (относительная погрешность 1 ppb или лучше). Альтернативный метод создания килограмма кремниевой сферы на основе сферы предлагает использовать методы разделения изотопов для обогащения кремния до тех пор, пока он не станет почти чистым 28 Si, который имеет относительную атомную массу 27.976 926 5325 (19) . При таком подходе фиксировалась бы не только постоянная Авогадро, но и атомная масса 28 Si. Таким образом, определение килограмма будет отделено от 12 C, и вместо этого килограмм будет определяться как 1000/27,976 926 5325 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 атомов 28 Si (≈35.743 740 43 фиксированных моля 28 атомов Si). Физики могут выбрать для определения килограмма 28 Si, даже если килограммовые прототипы сделаны из природного кремния (присутствуют все три изотопа). Даже с определением килограмма, основанным на теоретически чистом 28 Si, прототип кремниевой сферы, сделанный только из почти чистого 28 Si, обязательно будет немного отклоняться от определенного количества молей кремния, чтобы компенсировать различные химические и изотопные примеси, а также влияние поверхностные оксиды.
Углерод-12
Хотя это определение не предлагает практического воплощения, оно точно определяет величину килограмма с точки зрения определенного числа атомов углерода-12 . Углерод ‑ 12 ( 12 C) - изотоп углерода. В настоящее время моль определяется как «количество сущностей (элементарных частиц, таких как атомы или молекулы), равное количеству атомов в 12 граммах углерода-12». Таким образом, текущее определение крота требует, чтобы1000/12родинки ( 83+1/3 моль) 12 C имеет массу ровно один килограмм. Число атомов в моль, величина, известная как постоянная Авогадро , определяется экспериментально, и текущая наилучшая оценка ее значения составляет6.022 140 76 × 10 23 объекта на моль. Это новое определение килограмма предлагало зафиксировать постоянную Авогадро на точном уровне.6,022 14 X × 10 23 моль -1, причем килограмм определяется как «масса, равная массе1000/12 ⋅ 6,022 14 X × 10 23 атомов 12 C ".
Точность измеренного значения постоянной Авогадро в настоящее время ограничена неопределенностью значения постоянной Планка . Эта относительная стандартная погрешность составляет 50 частей на миллиард (частей на миллиард) с 2006 года. Установив постоянную Авогадро, практический эффект этого предложения будет заключаться в том, что погрешность в массе атома 12 C и величине килограмма может быть не лучше, чем текущая погрешность постоянной Планка в 50 частей 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, электронное определение килограмма (см. § Электронные подходы ниже), которое точно фиксировало бы постоянную Планка, по-прежнему позволяло бы 83+1/3моль 12 ° C, чтобы иметь массу ровно один килограмм, но количество атомов, составляющих моль (постоянная Авогадро), будет по-прежнему подлежать уточнению в будущем.
Вариант определения на основе 12 C предлагает определить постоянную Авогадро как точно84 446 889 3 (≈ 6.022 141 62 × 10 23 ) атомов. Воображаемая реализация прототипа массой 12 грамм была бы кубом из 12 атомов углерода, измеряющим точно84 446 889 атомов поперек стороны. Согласно этому предложению килограмм будет определяться как «масса, равная84 446 889 3 × 83+1/3атомы 12 кл. "
Накопление ионов
Другой подход, основанный на Авогадро, накопление ионов , от которого отказались, позволил бы определить и обозначить килограмм путем точного создания новых металлических прототипов по запросу. Он мог бы сделать это, накапливая ионы золота или висмута (атомы, лишенные электрона) и подсчитывая их, измеряя электрический ток, необходимый для нейтрализации ионов. Золото ( 197 Au) и висмут ( 209 Bi) были выбраны потому, что с ними можно безопасно обращаться и они имеют две самые высокие атомные массы среди мононуклидных элементов, которые являются стабильными (золото) или фактически стабильными (висмут). См. Также Таблицу нуклидов .
Например, с помощью определения килограмма, основанного на золоте, относительную атомную массу золота можно было бы точно зафиксировать. 196.966 5687 , от текущего значения196.966 5687 (6) . Как и в случае определения, основанного на углероде-12, постоянная Авогадро также была бы фиксированной. Килограмм тогда был бы определен как «масса, равная точно массе1000/196.966 5687 ⋅ 6,022 141 79 × 10 23 атомов золота »(точно 3,057,443,620,887,933,963,384,315 атомов золота или около5.077 003 71 фиксированных моль).
В 2003 году немецкие эксперименты с золотом при токе всего 10 мкА продемонстрировали относительную погрешность 1,5%. Ожидается, что в последующих экспериментах с использованием ионов висмута и тока 30 мА за шесть дней будет накоплена масса 30 г, а относительная погрешность будет лучше 1 ppm. В конечном итоге подходы с накоплением ионов оказались непригодными. На измерения потребовались месяцы, и данные оказались слишком нестабильными, чтобы этот метод можно было рассматривать в качестве жизнеспособной будущей замены IPK.
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 должны быть замедлены до очень низких энергий, чтобы избежать эффектов распыления - явления, при котором ионы, которые уже были подсчитаны, рикошетили от электрода-мишени или даже смещенных атомов, которые уже были осаждены. Осажденная массовая доля в немецких экспериментах 2003 г. приближалась очень близко к 100% только при энергии ионов менее примерно1 эВ (< 1 км / с для золота).
Если бы килограмм был определен как точное количество атомов золота или висмута, нанесенных с помощью электрического тока, не только постоянная Авогадро и атомная масса золота или висмута должны были быть точно зафиксированы, но и величина элементарного заряда ( e ), вероятно,1.602 17 X × 10 −19 C (из текущего рекомендуемого значения1.602 176 634 × 10 −19 С ). Это фактически определило бы ампер как поток1/1.602 17 Х × 10 −19электронов 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, а также воспользовавшись тем фактом, что атомные массы атомов висмута и 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 на пути к практической реализации методов, основанных на накоплении ионов. Устройство обязательно требовало, чтобы камера осаждения имела встроенную систему баланса, чтобы обеспечить удобную калибровку разумного количества стандартов переноса по сравнению с любым прототипом с внутренним осаждением ионов. Более того, массовые прототипы, произведенные методами ионного осаждения, не могли бы быть ничем иным, как отдельно стоящие платино-иридиевые прототипы, которые используются в настоящее время; они были бы нанесены на электрод и стали частью электрода, вставленного 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, хотя и является плотным и благородным металлом (устойчивым к окислению и образованию других соединений), чрезвычайно мягкое, поэтому внутренний образец золота должен быть хорошо изолирован и тщательно очищен, чтобы избежать загрязнения и потенциального износа из-за необходимости удаления. загрязнение. Висмут, который является недорогим металлом, используемым в низкотемпературных припоях, медленно окисляется при контакте с воздухом комнатной температуры и образует другие химические соединения, и поэтому не дал бы стабильных эталонных масс, если бы он постоянно не поддерживался в вакууме или инертной атмосфере.
Сила, основанная на амперах
При таком подходе килограмм определяется как «масса, которая будет ускорена точно при 2 × 10 -7 м / с 2 при воздействии на метр силы между двумя прямыми параллельными проводниками бесконечной длины с незначительным круглым поперечным сечением, расположенными на расстоянии одного метра в вакууме, через которые протекает постоянный ток величиной1/1,602 17 × 10 −19 элементарных зарядов в секунду ».
Фактически, это определило бы килограмм как производную от ампера, а не как текущее соотношение, которое определяет ампер как производную от килограмма. Это новое определение килограмма определило бы элементарный заряд ( е ) как точно 1,602 17 × 10 −19 кулонов, а не текущее рекомендуемое значение1,602 176 634 × 10 -19 С . Из этого с необходимостью следовало бы, что ампер (один кулон в секунду) также стал бы электрическим током с точным количеством элементарных зарядов в секунду, проходящим через заданную точку в электрической цепи. Преимущество практической реализации, основанной на этом определении, заключается в том, что в отличие от весов Киббла и других основанных на шкале методов, каждый из которых требует тщательного определения характеристик силы тяжести в лаборатории, этот метод определяет величину килограмма непосредственно в тех самых терминах, которые определить природу массы: ускорение за счет приложенной силы. К сожалению, разработать практическую реализацию, основанную на ускорении масс, крайне сложно. Многолетние эксперименты в Японии со сверхпроводящей массой 30 г, поддерживаемой диамагнитной левитацией, никогда не достигли погрешности выше десяти частей на миллион. Магнитный гистерезис был одной из ограничивающих проблем. Другие группы провели аналогичные исследования, в которых использовались разные техники для левитации массы.