Международный прототип килограмма - International Prototype of the Kilogram

«ИПК» перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см IPK (значения) .
Реплика прототипа килограмма, представленная в Cité des Sciences et de l'Industrie в Париже , с защитным двойным стеклянным колоколом.

Международный прототип Килограмм (далее по метрологов как ИПК или Le Grand K , иногда называют Ур -kilogram, или urkilogram, в частности , авторами на немецком языке , пишущих на английском языке : 30 ) представляет собой объект , который был использован для определения величина массы килограмма с 1889 года, когда она заменила Kilogram des Archives , до 2019 года, когда она была заменена новым определением килограмма, основанным на физических константах . В то время IPK и его дубликаты использовались для калибровки всех других эталонов массы в килограммах на Земле.

IPK представляет собой объект размером примерно с мяч для гольфа, сделанный из платинового сплава, известного как «Pt ‑ 10Ir», который на 90% состоит из платины и 10% иридия (по массе), и выточен в прямоугольный цилиндр с высотой, равной его диаметру. примерно на 39 миллиметров, чтобы уменьшить площадь поверхности. Добавление 10% иридия улучшило качество полностью платиновой Kilogram des Archives , значительно увеличив твердость , сохранив при этом многие достоинства платины: исключительную стойкость к окислению , чрезвычайно высокую плотность (почти в два раза плотнее свинца и более чем в 21 раз плотнее воды. ), удовлетворительной электропроводности и теплопроводности , а также низкой магнитной восприимчивости . IPK и его шесть сестринских копий хранятся в Международном бюро мер и весов (известном своими французскими инициалами BIPM) в экологически безопасном сейфе в нижнем хранилище, расположенном в подвале павильона BIPM в Сен-Клу. на окраине Парижа ( фотографии см. ниже в разделе Внешние изображения ). Для открытия хранилища требуются три независимо управляемых ключа. Официальные копии IPK были предоставлены другим странам в качестве национальных стандартов. Их сравнивали с IPK примерно каждые 40 лет, тем самым обеспечивая прослеживаемость локальных измерений до IPK.  

Творчество

Метрическая Конвенция была подписана 20 мая 1875 г. и далее формализованных метрической системы (предшественник к SI ), быстро приводя к производству ИПК. IPK - один из трех цилиндров, изготовленных в 1879 году компанией Johnson Matthey , которая продолжала производить почти все национальные прототипы по мере необходимости, пока новое определение килограмма не вступило в силу в 2020 году. В 1883 году было обнаружено, что масса IPK составляет неотличимы от из килограмм де Archives сделал восемьдесят четыре года до этого , и был официально ратифицирован на килограмме по 1 ГК в 1889 году.

Копии ИПК

Национальный прототип килограмма K20, один из двух прототипов, хранящихся в Национальном институте стандартов и технологий США в Гейтерсбурге, штат Мэриленд , которые служат в качестве основных эталонов для определения всех единиц массы и веса в Соединенных Штатах. Это копия для всеобщего обозрения, показанная в том виде, в котором она обычно хранится, под двумя колпаками.

ИПК и его различные копии в литературе имеют следующие обозначения:

Стабильность ИПК

До 2019 года погрешность измерения массы ИПК по определению равнялась нулю; масса ИПК составляла килограмм. Тем не менее, любые изменения в массе IPK с течением времени можно было определить путем сравнения его массы с массой его официальных копий, хранящихся по всему миру, - редко предпринимаемый процесс, называемый «периодической проверкой». Только три проверки произошли в 1889, 1948 и 1989 годах. Например, США владеют пятью эталонами килограммов 90% платины / 10%  иридия (Pt ‑ 10Ir), два из которых, K4 и K20, относятся к исходной партии из 40 единиц. реплики доставлены в 1884 году. Прототип K20 был признан основным национальным эталоном массы США. Оба они, а также из других стран, периодически возвращаются в BIPM для проверки. При транспортировке прототипов проявляется большая осторожность. В 1984 году прототипы K4 и K20 перевозились вручную в пассажирских отсеках отдельных коммерческих авиалайнеров.

Обратите внимание, что ни одна из реплик не имеет массы, точно равной массе IPK; их массы калибруются и документируются как значения смещения. Например, К20, первичный стандарт США, первоначально имел официальную массу 1 кг - 39 мкг (микрограмм) в 1889 году; то есть K20 был на 39  мкг меньше, чем IPK. Проверка, проведенная в 1948 году, показала массу 1 кг - 19 мкг . Последняя проверка, проведенная в 1989 году, показывает, что масса точно совпадает с первоначальным значением 1889 года. В отличие от таких переходных вариаций, американский стандарт проверки K4 постоянно снижается по массе по сравнению с IPK - и по очевидной причине: стандарты проверки используются гораздо чаще, чем первичные стандарты, и они подвержены царапинам и другому износу. Первоначально K4 поставлялся с официальной массой 1 кг - 75 мкг в 1889 году, но по состоянию на 1989 год был официально откалиброван на 1 кг - 106 мкг, а десять лет спустя - 1 кг - 116 мкг. За 110 лет K4 потерял 41  мкг по сравнению с IPK.

Массовый дрейф с течением времени национальных прототипов K21 – K40 , а также двух родственных копий IPK: K32 и K8 (41). Все массовые изменения относятся к IPK. Начальные смещения начального значения 1889 года относительно IPK были обнулены. Вышеупомянутые все относительные измерения; нет исторических данных измерения массы, чтобы определить, какой из прототипов был наиболее устойчивым по отношению к инварианту природы. Вполне вероятно, что все прототипы набрали массу за 100 лет, а K21, K35, K40 и IPK просто меньше других.

Помимо простого износа, с которым могут столкнуться стандарты проверки, масса даже тщательно хранимых национальных прототипов может дрейфовать относительно IPK по ряду причин, некоторые из которых известны, а некоторые неизвестны. Поскольку IPK и его копии хранятся на воздухе (хотя и под двумя или более вложенными колпаками ), они набирают массу за счет адсорбции атмосферных загрязнений на их поверхности. Соответственно, они очищаются с помощью процесса, разработанного BIPM между 1939 и 1946 годами, известного как «метод очистки BIPM», который включает в себя сильное натирание замшей, пропитанной в равных частях эфиром и этанолом , с последующей очисткой паром бидистиллированной водой и допуском прототипы отстаиваются за 7–10 дней до проверки. До того, как в 1994 году BIPM опубликовал отчет с подробным описанием относительного изменения массы прототипов, различные стандартные кузова использовали разные методы для очистки своих прототипов. До этого NIST практиковал замачивание и промывание двух прототипов сначала в бензоле , затем в этаноле, а затем их очистку струей бидистиллированного водяного пара. Очистка прототипов удаляет от 5 до 60  мкг загрязнения в зависимости от времени, прошедшего с момента последней очистки. Кроме того, вторая очистка может удалить еще до 10  мкг. После очистки - даже когда они хранятся под колпаками - IPK и его копии сразу же снова начинают набирать массу. BIPM даже разработал модель этого прироста и пришел к выводу, что он составлял в среднем 1,11  мкг в месяц в течение первых 3 месяцев после очистки, а затем снизился в среднем до 1  мкг в год после этого. Поскольку контрольные эталоны, такие как K4, не очищаются для рутинных калибровок других эталонов массы - мера предосторожности для сведения к минимуму возможности износа и повреждений при обращении - модель BIPM зависимого от времени набора массы использовалась в качестве поправочного коэффициента «после очистки».

Поскольку первые сорок официальных копий изготовлены из того же сплава, что и IPK, и хранятся в аналогичных условиях, периодические проверки с использованием большого количества реплик, особенно национальных первичных эталонов, которые используются редко, могут убедительно продемонстрировать стабильность IPK. . Что стало ясно после третьей периодической проверки, проведенной между 1988 и 1992 годами, так это то, что массы всего мирового ансамбля прототипов медленно, но неумолимо расходились друг с другом. Также очевидно, что IPK потерял, возможно, 50  мкг массы за последнее столетие, а возможно, и значительно больше, по сравнению с его официальными копиями. Причина этого отклонения ускользнула от физиков, посвятивших свою карьеру единице массы СИ. Не было предложено ни одного правдоподобного механизма, объясняющего ни устойчивое уменьшение массы IPK, ни увеличение массы его копий, разбросанных по всему миру. Более того, нет технических средств, доступных для определения того, страдает ли весь мировой ансамбль прототипов еще более сильные долгосрочные тенденции вверх или вниз, потому что их масса «относительно инварианта природы неизвестна на уровне ниже 1000  мкг в течение период 100 или даже 50 лет ». Учитывая отсутствие данных, позволяющих определить, какой из мировых прототипов в килограммах был наиболее стабильным в абсолютном выражении, в равной степени справедливо заявить, что первая партия реплик, как группа, набрала в среднем около 25  мкг за сто лет в прошлом. сравнение с ИПК.

То , что это известно конкретно о ИКА является то , что он обладает краткосрочной нестабильностью около 30  мкг в течение примерно одного месяца в его массе после чистки. Точная причина этого краткосрочной нестабильности не понятна , но , как полагает, влечет за собой поверхностные эффекты: микроскопические различия между прототипами полированными поверхности, возможно , усугубляется водород поглощение из - за катализ из летучих органических соединений , которые медленно осаждаются на прототипы , а также как растворители на углеводородной основе, используемые для их очистки.

Удалось исключить множество объяснений наблюдаемых расхождений в массах прототипов мира, предложенных учеными и широкой публикой. Например, в часто задаваемых вопросах BIPM объясняется, что расхождение зависит от количества времени, прошедшего между измерениями, и не зависит от количества раз, когда прототип или его копии очищались, или возможных изменений силы тяжести или окружающей среды. В отчетах, опубликованных в 2013 году Питером Кампсоном из Университета Ньюкасла на основе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии образцов, которые хранились вместе с различными килограммами прототипов, предполагается, что один из источников расхождения между различными прототипами может быть связан с ртутью, которая была поглощена прототипами. нахождение в непосредственной близости от приборов на основе ртути. IPK хранился в пределах сантиметров от ртутного термометра, по крайней мере, еще с конца 1980-х годов. В этой работе Университета Ньюкасла было обнаружено, что шесть платиновых гирь, изготовленных в девятнадцатом веке, содержали ртуть на поверхности, наиболее загрязненная из которых имела эквивалент 250  мкг ртути в пересчете на площадь поверхности килограммового прототипа.

Растущее расхождение в массах мировых прототипов и краткосрочная нестабильность в IPK побудили исследовать улучшенные методы получения гладкой поверхности с использованием алмазного точения на вновь изготовленных репликах и были одной из причин нового определения килограмма.

Зависимость СИ от ИПК

До мая 2019 года величина многих единиц, составляющих систему измерения СИ, в том числе большинства единиц, используемых для измерения электричества и света, сильно зависела от стабильности Металлический цилиндр размером с мяч для гольфа, которому 142 года, хранится в хранилище во Франции.

Стабильность IPK имела решающее значение, потому что килограмм лежал в основе большей части системы измерения СИ, как она была определена и структурирована до 2019 года. Например, ньютон определяется как сила, необходимая для ускорения одного килограмма со скоростью один метр в секунду в квадрате . Если масса IPK изменится незначительно, то пропорционально изменится и ньютон. В свою очередь, паскаль , единица давления в системе СИ , определяется в ньютонах. Эта цепочка зависимости соответствует многим другим единицам измерения СИ. Например, джоуль , единица энергии в системе СИ , определяется как джоуль , который израсходован, когда сила в один ньютон действует через один метр . Затем будет затронута единица измерения мощности в системе СИ , ватт , которая составляет один джоуль в секунду.

До мая 2019 года ампер также определялся относительно ньютона. С величиной первичных единиц электричества, определяемой таким образом килограммом, последовали многие другие, а именно кулон , вольт , тесла и вебер . Это повлияет даже на единицы измерения света; кандела -following изменения в ватт - бы , в свою очередь влияет на просвет и люкс .  

Поскольку величина многих единиц, составляющих систему измерения СИ, до 2019 года определялась ее массой, качество IPK тщательно защищалось, чтобы сохранить целостность системы СИ. Однако средняя масса мирового ансамбля прототипов и масса IPK, вероятно, разошлись еще на 7,6  мкг после третьей периодической проверки.32  года назад. Кроме того, национальные метрологические лаборатории мира должны дождаться четвертой периодической проверки, чтобы подтвердить, сохранились ли исторические тенденции  .

Изолирующие эффекты практических реализаций

К счастью, определения единиц СИ сильно отличаются от их практического воплощения . Например, измерительный прибор будет определен как расстояние свет проходит в вакууме в течение временного интервала 1 / 299,792,458 секунды. Однако практическая реализация метра обычно принимает форму гелий-неонового лазера, а длина метра обозначена - не определена - как1 579 800, 298 728 длин волн света от этого лазера. Теперь предположим, что официальное измерение секунды отклонилось на несколько частей на миллиард (на самом деле оно чрезвычайно стабильно с воспроизводимостью нескольких частей из 10 15 ). Не будет никакого автоматического воздействия на счетчик, потому что секунда - и, следовательно, длина метра - абстрагируется с помощью лазера, составляющего практическую реализацию метра. Ученые, выполняющие калибровку измерителей, просто продолжали бы измерять то же количество длин волн лазера, пока не было достигнуто соглашение об обратном. То же самое верно и в отношении реальной зависимости от килограмма: если бы масса IPK изменилась незначительно, не было бы автоматического воздействия на другие единицы измерения, потому что их практическая реализация обеспечивает изолирующий слой абстракция. Однако любое несоответствие в конечном итоге должно быть устранено, потому что достоинством системы СИ является ее точная математическая и логическая гармония между ее единицами. Если бы было окончательно доказано, что значение IPK изменилось, одним из решений было бы просто переопределить килограмм как равный массе IPK плюс значение смещения, аналогично тому, что было сделано ранее с его репликами; например, «килограмм равен массе ИПК + 42 частей на миллиард » (эквивалент 42  мкг).

Однако долгосрочное решение этой проблемы заключалось в том, чтобы освободить систему SI от IPK, разработав практическую реализацию килограмма, который может быть воспроизведен в различных лабораториях, следуя письменной спецификации. Величины единиц измерения в такой практической реализации должны быть точно определены и выражены в терминах фундаментальных физических констант . В то время как основные части системы СИ по-прежнему основаны на килограммах, килограмм теперь, в свою очередь, основан на неизменных универсальных константах природы.

использованная литература

Примечания

внешние ссылки

Внешние изображения
значок изображенияBIPM: ИПК в трех вложенных колпаках
значок изображенияNIST: K20, килограмм национального прототипа США, установленный на люминесцентной световой панели ящика для яиц.
значок изображенияBIPM: Очистка паром прототипа весом 1 кг перед массовым сравнением
значок изображенияBIPM: IPK и шесть сестринских копий в их хранилище
значок изображенияNIST: именно эти весы Rueprecht , точные весы австрийского производства, использовались NIST с 1945 по 1960 год.
значок изображенияBIPM: гибко-полосовые весы FB ‑ 2 , современные прецизионные весы BIPM со стандартным отклонением в одну десятимиллиардную долю килограмма (0,1  мкг)
значок изображенияBIPM: весы Mettler HK1000 с  разрешением 1 мкг и  максимальной массой 4 кг. Также используется лабораторией первичных стандартов NIST и Sandia National Laboratories.

Видео