2018 kann als ein schicksalhaftes Jahr in der Metrologie bezeichnet werden, denn es ist die Zeit einer echten technologischen Revolution im internationalen System der Einheiten physikalischer Größen SI. Es geht um die Überarbeitung der Definitionen der wichtigsten physikalischen Größen. Wiegt jetzt ein Kilo Kartoffeln im Supermarkt auf eine neue Art und Weise? C-Kartoffeln werden die gleichen sein. Etwas anderes wird sich ändern.
Vor dem SI-System
In der Antike waren gemeinsame Standards für Gewichte und Maße erforderlich. Aber die allgemeinen Regeln für Messungen wurden mit dem Aufkommen des wissenschaftlichen und technischen Fortschritts besonders notwendig. Wissenschaftler mussten eine gemeinsame Sprache sprechen: Wie viele Zentimeter sind ein Fuß? Und was ist ein Zentimeter in Frankreich, wenn es nicht dasselbe wie Italienisch ist?
Frankreich kann als Ehrenveteran und Gewinner historischer metrologischer Schlachten bezeichnet werden. In Frankreich wurde das Messsystem 1791 offiziell zugelassen und derenEinheiten und die Definitionen der wichtigsten physikalischen Größen wurden als staatliche Dokumente beschrieben und bestätigt.
Die Franzosen verstanden als erste, dass physikalische Größen an natürliche Objekte gebunden sein sollten. Beispielsweise wurde ein Meter als 1/40.000.000 der Meridianlänge von Nord nach Süd zum Äquator beschrieben. Er war somit an die Größe der Erde gebunden.
Ein Gramm wurde auch mit Naturphänomenen in Verbindung gebracht: Es wurde definiert als die Masse von Wasser in einem Kubikzentimeter bei einem Temperaturniveau nahe Null (Eisschmelze).
Aber wie sich herausstellte, ist die Erde überhaupt keine perfekte Kugel, und Wasser in einem Würfel kann eine Vielzahl von Eigenschaften haben, wenn es Verunreinigungen enthält. Daher unterschieden sich die Größen dieser Mengen in verschiedenen Teilen des Planeten geringfügig voneinander.
Im frühen 19. Jahrhundert stiegen die Deutschen unter Führung des Mathematikers Karl Gauß in das Geschäft ein. Er schlug vor, das Maßsystem Zentimeter-Gramm-Sekunde zu aktualisieren, und seitdem metrische Einheiten in die Welt, die Wissenschaft und von der internationalen Gemeinschaft anerkannt wurden, wurde ein internationales System von Einheiten physikalischer Größen gebildet.
Es wurde beschlossen, die Länge des Meridians und die Masse eines Wasserwürfels durch die Standards zu ersetzen, die im Bureau of Weights and Measures in Paris aufbewahrt werden, mit Verteilung von Kopien an die an der Metrik teilnehmenden Länder Konvention.
Kilogramm zum Beispiel sah aus wie ein Zylinder aus einer Legierung aus Platin und Iridium, was am Ende auch keine Ideallösung wurde.
Das internationale Einheitensystem für physikalische Größen SI wurde 1960 gegründet. Zunächst umfasste es sechsGrundgrößen: Meter und Länge, Kilogramm und Masse, Zeit in Sekunden, Stromstärke in Ampere, thermodynamische Temperatur in Kelvin und Lichtstärke in Candela. Zehn Jahre später wurde ihnen eine weitere hinzugefügt - die Menge einer Substanz, gemessen in Mol.
Es ist wichtig zu wissen, dass alle anderen Maßeinheiten der physikalischen Größen des internationalen Systems als Ableitungen der Basiseinheiten angesehen werden, d.h. sie können mathematisch mit den Basisgrößen des SI-Systems berechnet werden.
Weg von den Standards
Physikalische Standards erwiesen sich als nicht das zuverlässigste Messsystem. Der Kilogrammstandard selbst und seine Kopien nach Ländern werden regelmäßig miteinander verglichen. Abstimmungen zeigen Änderungen in den Massen dieser Standards, die aus verschiedenen Gründen auftreten: Staub während der Überprüfung, Interaktion mit dem Stand oder etwas anderem. Wissenschaftler haben diese unangenehmen Nuancen schon lange bemerkt. Es ist an der Zeit, die Parameter der Einheiten physikalischer Größen des internationalen Metrologiesystems zu überarbeiten.
Daher änderten sich allmählich einige Definitionen von Größen: Wissenschaftler versuchten, von physikalischen Standards wegzukommen, die ihre Parameter im Laufe der Zeit auf die eine oder andere Weise veränderten. Der beste Weg ist, Größen in Bezug auf unveränderliche Eigenschaften wie Lichtgeschwindigkeit oder Änderungen in der Struktur von Atomen abzuleiten.
Am Vorabend der Revolution im SI-System
Grundsätzliche technologische Veränderungen im internationalen System der Einheiten physikalischer Größen werden durch die Abstimmung der Mitglieder des Internationalen Büros für Maß und Gewicht auf der Jahreskonferenz durchgeführt. Wenn sie genehmigt werden, werden die Änderungen nach einigen Minuten wirksamMonate.
All dies ist äußerst wichtig für Wissenschaftler, deren Forschung und Experimente äußerste Präzision bei Messungen und Formulierungen erfordern.
Die neuen Referenzstandards von 2018 werden dazu beitragen, bei jeder Messung an jedem Ort, zu jeder Zeit und in jedem Maßstab das höchste Maß an Genauigkeit zu erreichen. Und das alles ohne Genauigkeitsverlust.
Neudefinition von Größen im SI-System
Es handelt sich um vier der sieben wirkenden physikalischen Grundgrößen. Es wurde beschlossen, die folgenden Größen mit Einheiten neu zu definieren:
- Kilogramm (Masse) unter Verwendung der Einheiten der Planck-Konstante im Ausdruck;
- Ampere (Strom) mit Ladungsmessung;
- Kelvin (thermodynamische Temperatur) mit Einheitsausdruck unter Verwendung der Boltzmann-Konstante;
- Mol durch die Avogadro-Konstante (Stoffmenge).
Für die verbleibenden drei Größen wird der Wortlaut der Definitionen geändert, aber ihr Wesen bleibt unverändert:
- Meter (Länge);
- Sekunde (Zeit);
- Candela (Lichtstärke).
Änderungen mit Verstärker
Was heute das Ampere als Einheit physikalischer Größen im internationalen SI-System ist, wurde bereits 1946 vorgeschlagen. Die Definition war an die Stärke des Stroms zwischen zwei Leitern im Vakuum in einem Abstand von einem Meter gebunden und spezifizierte alle Nuancen dieser Struktur. Ungenauigkeit und umständliche Messung sind aus heutiger Sicht die beiden Hauptmerkmale dieser Definition.
In der neuen Definition ist ein Ampere ein elektrischer Strom gleichFluss einer festen Anzahl elektrischer Ladungen pro Sekunde. Die Einheit wird in Elektronenladungen ausgedrückt.
Um das aktualisierte Ampere zu bestimmen, wird nur ein Werkzeug benötigt - die sogenannte Einzelelektronenpumpe, die in der Lage ist, Elektronen zu bewegen.
Neue Mol- und Siliziumreinheit 99,9998%
Die alte Definition eines Maulwurfs bezieht sich auf die Menge an Materie gleich der Anzahl der Atome in einem Kohlenstoffisotop mit einer Masse von 0,012 kg.
In der neuen Version ist dies die Menge eines Stoffes, die in einer genau definierten Anzahl vorgegebener Struktureinheiten enth alten ist. Diese Einheiten werden mit der Avogadro-Konstante ausgedrückt.
Es gibt auch viele Sorgen um Avogadros Nummer. Um es zu berechnen, wurde beschlossen, eine Kugel aus Silizium-28 zu erstellen. Dieses Isotop des Siliziums zeichnet sich durch sein präzises Kristallgitter in Perfektion aus. Daher kann die Anzahl der darin enth altenen Atome mit einem Lasersystem, das den Durchmesser einer Kugel misst, genau gezählt werden.
Man könnte natürlich argumentieren, dass es keinen grundlegenden Unterschied zwischen einer Silizium-28-Kugel und der aktuellen Platin-Iridium-Legierung gibt. Sowohl das als auch andere Substanzen verlieren mit der Zeit Atome. Verliert, richtig. Aber Silizium-28 verliert sie mit einer vorhersehbaren Rate, so dass ständig Anpassungen an der Referenz vorgenommen werden.
Das reinste Silizium-28 für die Kugel wurde kürzlich in den USA gewonnen. Seine Reinheit beträgt 99,9998 %.
Und jetzt Kelvin
Kelvin ist eine der Einheiten physikalischer Größen im internationalen System und wird verwendet, um das Niveau der thermodynamischen Temperatur zu messen. "Auf die alte Weise" ist es gleich 1/273, 16Teile der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. Der Tripelpunkt von Wasser ist eine äußerst interessante Komponente. Dies ist das Temperatur- und Druckniveau, bei dem sich Wasser gleichzeitig in drei Zuständen befindet – „Dampf, Eis und Wasser“.
Die Definition von "hinkte auf beiden Beinen" aus folgendem Grund: Der Wert von Kelvin hängt in erster Linie von der Zusammensetzung des Wassers mit einem theoretisch bekannten Isotopenverhältnis ab. In der Praxis war es jedoch unmöglich, Wasser mit solchen Eigenschaften zu erh alten.
Das neue Kelvin wird wie folgt definiert: Ein Kelvin entspricht einer Änderung der thermischen Energie um 1,4 × 10−23j. Die Einheiten werden mit der Boltzmann-Konstante ausgedrückt. Jetzt kann das Temperaturniveau gemessen werden, indem man die Schallgeschwindigkeit in der Gassphäre festlegt.
Kilogramm ohne Standard
Wir wissen bereits, dass es in Paris einen Standard aus Platin mit Iridium gibt, der sein Gewicht während seiner Verwendung in der Metrologie und im System der Einheiten physikalischer Größen irgendwie verändert hat.
Die neue Definition des Kilogramms lautet: Ein Kilogramm wird ausgedrückt als Plancksche Konstante dividiert durch 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Die Messung der Masse kann jetzt auf der "Watt"-Skala erfolgen. Lassen Sie sich nicht vom Namen täuschen, das ist keine gewöhnliche Waage, sondern Elektrizität, die ausreicht, um einen auf der anderen Seite der Waage liegenden Gegenstand anzuheben.
Änderungen in den Prinzipien der Konstruktion von Einheiten physikalischer Größen und ihres Systems als Ganzes sind vor allem in den theoretischen Bereichen der Wissenschaft erforderlich. Die wichtigsten Faktoren im aktualisierten Systemsind nun Naturkonstanten.
Dies ist die logische Schlussfolgerung der langjährigen Tätigkeit einer internationalen Gruppe seriöser Wissenschaftler, deren Bemühungen lange Zeit darauf abzielten, ideale Messungen und Definitionen von Einheiten auf der Grundlage der Gesetze der fundamentalen Physik zu finden.
