2018 kan een noodlottig jaar in de metrologie worden genoemd, omdat dit de tijd is van een echte technologische revolutie in het internationale systeem van eenheden van fysieke grootheden SI. Het gaat om het herzien van de definities van de belangrijkste fysieke grootheden. Zal een kilo aardappelen in de supermarkt nu op een nieuwe manier wegen? C aardappelen zullen hetzelfde zijn. Er zal iets anders veranderen.
Voor het SI-systeem
Gemeenschappelijke normen voor maten en gewichten waren in de oudheid nodig. Maar de algemene regels voor metingen werden vooral noodzakelijk met de komst van wetenschappelijke en technologische vooruitgang. Wetenschappers moesten in een gemeenschappelijke taal spreken: één voet is hoeveel centimeter? En wat is een centimeter in Frankrijk als het niet hetzelfde is als Italiaans?
Frankrijk kan een ere-veteraan en winnaar van historische metrologische veldslagen worden genoemd. Het was in Frankrijk in 1791 dat het meetsysteem officieel werd goedgekeurd en huneenheden, en de definities van de belangrijkste fysieke grootheden werden beschreven en goedgekeurd als staatsdocumenten.
De Fransen waren de eersten die begrepen dat fysieke grootheden gekoppeld moeten worden aan natuurlijke objecten. Eén meter is bijvoorbeeld beschreven als 1/40.000.000 van de meridiaanlengte van noord naar zuid naar de evenaar. Hij was dus gebonden aan de grootte van de aarde.
Eén gram is ook gekoppeld aan natuurlijke fenomenen: het werd gedefinieerd als de massa water in een kubieke centimeter bij een temperatuur van bijna nul (smeltend ijs).
Maar het bleek dat de aarde helemaal geen perfecte bal is, en water in een kubus kan verschillende eigenschappen hebben als het onzuiverheden bevat. Daarom verschilden de afmetingen van deze hoeveelheden in verschillende delen van de planeet enigszins van elkaar.
In het begin van de 19e eeuw kwamen de Duitsers, onder leiding van wiskundige Karl Gauss, in het bedrijf. Hij stelde voor om het centimeter-gram-seconde systeem van maatregelen bij te werken, en sindsdien zijn metrische eenheden de wereld ingegaan, de wetenschap en erkend door de internationale gemeenschap, een internationaal systeem van eenheden van fysieke grootheden is gevormd.
Er werd besloten om de lengte van de meridiaan en de massa van een kubus water te vervangen door de normen die waren opgeslagen in het Bureau of Weights and Measures in Parijs, met distributie van kopieën naar de landen die deelnemen aan de metriek conventie.
Kilogram zag er bijvoorbeeld uit als een cilinder gemaakt van een legering van platina en iridium, wat uiteindelijk ook geen ideale oplossing werd.
Het internationale systeem van eenheden van fysieke grootheden SI werd gevormd in 1960. In het begin bevatte het zesbasisgrootheden: meters en lengte, kilogram en massa, tijd in seconden, stroomsterkte in ampère, thermodynamische temperatuur in kelvin en lichtsterkte in candela. Tien jaar later werd er nog een aan toegevoegd - de hoeveelheid van een stof, gemeten in mol.
Het is belangrijk om te weten dat alle andere meeteenheden van de fysieke grootheden van het internationale systeem worden beschouwd als afgeleiden van de basisgrootheden, dat wil zeggen dat ze wiskundig kunnen worden berekend met behulp van de basisgrootheden van het SI-systeem.
Weg van de normen
Fysieke normen bleken niet het meest betrouwbare meetsysteem. De kilogramstandaard zelf en de kopieën daarvan per land worden periodiek met elkaar vergeleken. Afstemmingen laten veranderingen in de massa van deze standaarden zien, die om verschillende redenen plaatsvinden: stof tijdens verificatie, interactie met de stand, of iets anders. Wetenschappers hebben deze onaangename nuances al heel lang opgemerkt. Het is tijd om de parameters van de eenheden van fysieke grootheden van het internationale systeem in de metrologie te herzien.
Daarom veranderden sommige definities van hoeveelheden geleidelijk: wetenschappers probeerden afstand te nemen van fysieke normen, die op de een of andere manier hun parameters in de loop van de tijd veranderden. De beste manier is om hoeveelheden af te leiden in termen van onveranderlijke eigenschappen, zoals de snelheid van het licht of veranderingen in de structuur van atomen.
Aan de vooravond van de revolutie in het SI-systeem
Belangrijkste technologische veranderingen in het internationale systeem van eenheden van fysieke hoeveelheden worden uitgevoerd door de stemming van leden van het International Bureau of Weights and Measures op de jaarlijkse conferentie. Indien goedgekeurd, worden de wijzigingen van kracht na een paarmaanden.
Dit alles is uiterst belangrijk voor wetenschappers wiens onderzoek en experimenten de grootst mogelijke precisie vereisen in metingen en formuleringen.
De nieuwe referentienormen van 2018 zullen helpen om het hoogste niveau van nauwkeurigheid te bereiken bij elke meting, op elke plaats, tijd en schaal. En dit alles zonder enig verlies aan nauwkeurigheid.
Herdefinitie van hoeveelheden in het SI-systeem
Het betreft vier van de zeven werkende fysieke basisgrootheden. Er werd besloten om de volgende grootheden opnieuw te definiëren met eenheden:
- kilogram (massa) met behulp van de eenheden van de constante van Planck in de uitdrukking;
- ampère (stroom) met ladingsmeting;
- kelvin (thermodynamische temperatuur) met eenheidsuitdrukking met behulp van de Boltzmann-constante;
- mol door de constante van Avogadro (hoeveelheid stof).
Voor de overige drie grootheden zal de formulering van de definities worden gewijzigd, maar de essentie blijft ongewijzigd:
- meter (lengte);
- seconde (tijd);
- candela (lichtintensiteit).
Verandert met Amp
Wat is de ampère als een eenheid van fysieke grootheden in het internationale SI-systeem van vandaag, werd in 1946 voorgesteld. De definitie was gekoppeld aan de sterkte van de stroom tussen twee geleiders in een vacuüm op een afstand van één meter, waarbij alle nuances van deze structuur werden gespecificeerd. Onnauwkeurigheid en omslachtige metingen zijn de twee belangrijkste kenmerken van deze definitie vanuit het huidige gezichtspunt.
In de nieuwe definitie is een ampère een elektrische stroom gelijk aanstroom van een vast aantal elektrische ladingen per seconde. De eenheid wordt uitgedrukt in elektronenladingen.
Om de bijgewerkte ampère te bepalen, is slechts één hulpmiddel nodig: de zogenaamde enkelvoudige elektronpomp, die elektronen kan verplaatsen.
Nieuwe mol- en siliciumzuiverheid 99,9998%
De oude definitie van een mol is gerelateerd aan de hoeveelheid materie gelijk aan het aantal atomen in een koolstofisotoop met een massa van 0,012 kg.
In de nieuwe versie is dit de hoeveelheid van een stof die aanwezig is in een nauwkeurig gedefinieerd aantal gespecificeerde structurele eenheden. Deze eenheden worden uitgedrukt met behulp van de constante van Avogadro.
Er zijn ook veel zorgen over het nummer van Avogadro. Om het te berekenen, werd besloten om een bol van silicium-28 te maken. Deze isotoop van silicium onderscheidt zich door zijn precieze kristalrooster tot in de perfectie. Daarom kan het aantal atomen erin nauwkeurig worden geteld met behulp van een lasersysteem dat de diameter van een bol meet.
Je zou natuurlijk kunnen stellen dat er geen fundamenteel verschil is tussen een bol van silicium-28 en de huidige platina-iridiumlegering. Zowel dat, als andere substanties verliezen atomen in de tijd. Verliest, juist. Maar silicium-28 verliest ze in een voorspelbaar tempo, dus er zullen voortdurend aanpassingen aan de referentie worden gemaakt.
Het zuiverste silicium-28 voor de bol is onlangs verkregen in de VS. De zuiverheid is 99,9998%.
En nu Kelvin
Kelvin is een van de eenheden van fysieke grootheden in het internationale systeem en wordt gebruikt om het niveau van thermodynamische temperatuur te meten. "Op de oude manier" is het gelijk aan 1/273, 16delen van de temperatuur van het tripelpunt van water. Het tripelpunt van water is een buitengewoon interessant onderdeel. Dit is het niveau van temperatuur en druk waarbij water zich in drie toestanden tegelijk bevindt - "stoom, ijs en water."
De definitie van "hinkend op beide benen" om de volgende reden: de waarde van kelvin hangt voornamelijk af van de samenstelling van water met een theoretisch bekende isotopenverhouding. Maar in de praktijk was het onmogelijk om water met dergelijke eigenschappen te verkrijgen.
De nieuwe kelvin wordt als volgt gedefinieerd: één kelvin is gelijk aan een verandering in thermische energie met 1,4 × 10−23j. De eenheden worden uitgedrukt met behulp van de Boltzmann-constante. Nu kan het temperatuurniveau worden gemeten door de geluidssnelheid in de gasbol vast te leggen.
Kilogram zonder standaard
We weten al dat er in Parijs een standaard is van platina met iridium, die op de een of andere manier van gewicht veranderde tijdens het gebruik in de metrologie en het systeem van eenheden van fysieke grootheden.
De nieuwe definitie van de kilogram is: Eén kilogram wordt uitgedrukt als de constante van Planck gedeeld door 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Meting van massa kan nu worden gedaan op de "watt"-schalen. Laat je niet misleiden door de naam, dit zijn niet de gebruikelijke weegschalen, maar elektriciteit, wat genoeg is om een voorwerp op te tillen dat aan de andere kant van de weegschaal ligt.
Veranderingen in de principes van het construeren van eenheden van fysieke grootheden en hun systeem als geheel zijn in de eerste plaats nodig op de theoretische gebieden van de wetenschap. De belangrijkste factoren in het bijgewerkte systeemzijn nu natuurlijke constanten.
Dit is de logische conclusie van vele jaren activiteit van een internationale groep serieuze wetenschappers wiens inspanningen lange tijd waren gericht op het vinden van ideale metingen en definities van eenheden op basis van de wetten van de fundamentele fysica.
