Научное сообщество рассмотрело несколько подходов к переопределению килограмма, прежде чем принять решение о пересмотре СИ в ноябре 2018 года. 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 (МПК). [1] Было достигнуто общее согласие о том, что старое определение килограмма следует заменить.
Международный комитет мер и весов (МКМВ) одобрил новое определение основных единиц СИ в ноябре 2018 года, которое определяет килограмм, определяя постоянную Планка как точную6,626 070 15 × 10 −34 кг⋅м 2 ⋅с −1 . Этот подход фактически определяет килограмм в терминах секунды и метра и вступил в силу 20 мая 2019 года. [1] [2] [3] [4]
В 1960 году метр, ранее также определенный как один платиново-иридиевый брусок с двумя отметками на нем, был переопределен в терминах инвариантной физической константы (длины волны определенного излучения света , испускаемого криптоном [5] , а позднее скорости света ), так что стандарт можно было независимо воспроизводить в разных лабораториях, следуя письменной спецификации.
На 94-м заседании Международного комитета мер и весов (МКМВ) в 2005 году было рекомендовано сделать то же самое с килограммом. [6]
В октябре 2010 года МКМВ проголосовал за представление резолюции для рассмотрения на Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), чтобы «принять к сведению намерение» определить килограмм в терминах постоянной Планка , h (которая имеет размерность энергии, умноженной на время) вместе с другими физическими константами. [7] [8] Эта резолюция была принята 24-й конференцией ГКМВ [9] в октябре 2011 года и далее обсуждалась на 25-й конференции в 2014 году. [10] [11] Хотя Комитет признал, что был достигнут значительный прогресс, они пришли к выводу, что данные пока не кажутся достаточно надежными для принятия пересмотренного определения, и что работа должна быть продолжена, чтобы обеспечить принятие на 26-м заседании, запланированном на 2018 год. [10] Такое определение теоретически позволило бы использовать любой аппарат, способный описать килограмм в терминах постоянной Планка, при условии, что он обладает достаточной точностью, правильностью и стабильностью. Весы Киббла являются одним из способов сделать это.
В рамках этого проекта в течение многих лет рассматривались и исследовались самые разные технологии и подходы. Некоторые из этих подходов основывались 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 основывались на устройствах, которые измеряли либо ускорение, либо вес вручную настроенных килограммовых испытательных масс и которые выражали их величины в электрических терминах с помощью специальных компонентов, которые позволяют прослеживать их до физических констант. 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.
Весы Киббла (известные как «ваттные весы» до 2016 года) по сути являются одночашечными весами , которые измеряют электрическую мощность, необходимую для противодействия весу килограммовой тестовой массы, притягиваемой гравитацией Земли. Это разновидность амперных весов с дополнительным шагом калибровки, который устраняет влияние геометрии. Электрический потенциал в весах Киббла очерчен эталоном напряжения Джозефсона , который позволяет связать напряжение с инвариантной константой природы с чрезвычайно высокой точностью и стабильностью. Сопротивление его цепи калибруется по эталону сопротивления квантового эффекта Холла .
Весы Киббла требуют чрезвычайно точного измерения локального гравитационного ускорения g в лаборатории с использованием гравиметра . Например, когда высота центра гравиметра отличается от высоты близлежащей тестовой массы в весах Киббла, NIST компенсирует градиент гравитации Земли309 мкГал /м2 , что влияет на вес одного килограммового тестового груза примерно на316 мкг/м .
В апреле 2007 года реализация весов Киббла в NIST продемонстрировала комбинированную относительную стандартную неопределенность (CRSU) 36 мкг. [12] [Примечание 1] Весы Киббла Национальной физической лаборатории Великобритании продемонстрировали CRSU 70,3 мкг в 2007 году. [13] Эти весы Киббла были разобраны и отправлены в 2009 году в Канадский институт национальных стандартов измерений (часть Национального исследовательского совета ), где исследования и разработки с использованием устройства могли быть продолжены.
Преимущество электронных реализаций, таких как весы Киббла, заключается в том, что определение и распространение килограмма больше не зависит от стабильности прототипов килограмма, с которыми нужно очень осторожно обращаться и хранить. Это освобождает физиков от необходимости полагаться на предположения о стабильности этих прототипов. Вместо этого вручную настроенные, близко приближенные стандарты массы можно просто взвесить и задокументировать как равные одному килограмму плюс смещение. С весами Киббла, в то время как килограмм описывается в электрических и гравитационных терминах, все из которых прослеживаются до инвариантов природы; он определяется способом, который напрямую прослеживается до трех фундаментальных констант природы. Постоянная Планка определяет килограмм в терминах секунды и метра. При фиксации постоянной Планка определение килограмма зависит, кроме того, только от определений секунды и метра. Определение секунды зависит от единственной определенной физической константы: частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 Δ ν ( 133 Cs) hfs . Метр зависит от секунды и от дополнительной определенной физической константы: скорости света c . С переопределением килограмма таким образом физические объекты, такие как IPK, больше не являются частью определения, а вместо этого становятся эталонами переноса .
Такие весы, как весы Киббла, также обеспечивают большую гибкость в выборе материалов с особенно желательными свойствами для эталонов массы. Например, Pt‑10Ir можно было бы продолжать использовать, чтобы удельный вес вновь производимых эталонов массы был таким же, как у существующих национальных первичных и контрольных эталонов (≈21,55 г/мл). Это уменьшило бы относительную неопределенность при сравнении масс в воздухе . В качестве альтернативы можно было бы исследовать совершенно другие материалы и конструкции с целью производства эталонов массы с большей стабильностью. Например, можно было бы исследовать сплавы осмия и иридия, если бы склонность платины поглощать водород (из-за катализа ЛОС и очищающих растворителей на основе углеводородов) и атмосферную ртуть оказались источниками нестабильности. Кроме того, можно было бы исследовать защитные керамические покрытия, нанесенные методом парового осаждения, такие как нитриды, на предмет их пригодности для химической изоляции этих новых сплавов.
Проблема с весами Киббла заключается не только в снижении их неопределенности, но и в том, чтобы сделать их действительно практическими реализациями килограмма. Почти каждый аспект весов Киббла и их вспомогательного оборудования требует такой чрезвычайно точной и аккуратной, современной технологии, что — в отличие от такого устройства, как атомные часы — немногие страны в настоящее время решили бы финансировать их эксплуатацию. Например, весы Киббла NIST использовали четыре стандарта сопротивления в 2007 году, каждый из которых вращался через весы Киббла каждые две-шесть недель после калибровки в другой части штаб-квартиры NIST в Гейтерсберге, штат Мэриленд . Было обнаружено, что простое перемещение стандартов сопротивления по коридору к весам Киббла после калибровки изменяло их значения на 10 ppb (эквивалентно 10 мкг) или более. [14] Современных технологий недостаточно для обеспечения стабильной работы весов Киббла даже между двухгодичными калибровками. Когда новое определение вступит в силу, скорее всего, в мире на начальном этапе будет работать всего несколько весов Kibble.
Несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма, которые принципиально отличались от метода Киббла, были исследованы в разной степени, некоторые из них были заброшены. Проект Авогадро, в частности, был важен для решения о переопределении в 2018 году, поскольку он обеспечил точное измерение постоянной Планка, которое согласовывалось с методом метода Киббла и не зависело от него. [15] Альтернативные подходы включали:
Один из подходов, основанных на постоянной Авогадро, известный как проект Авогадро Международной координации Авогадро , определяет и описывает килограмм как сферу из атомов кремния диаметром 93,6 мм . Кремний был выбран, поскольку уже существует коммерческая инфраструктура с развитой технологией создания бездефектного, сверхчистого монокристаллического кремния, процесс Чохральского , для обслуживания полупроводниковой промышленности.
Для практической реализации килограмма будет изготовлена кремниевая буля (стержнеобразный монокристаллический слиток). Ее изотопный состав будет измерен с помощью масс-спектрометра для определения ее средней относительной атомной массы. Буля будет разрезана, отшлифована и отполирована в сферы. Размер выбранной сферы будет измерен с помощью оптической интерферометрии с погрешностью около 0,3 нм на радиусе — примерно один атомный слой. Точное расстояние между атомами в ее кристаллической структуре (≈ 192 пм) будет измерено с помощью сканирующего рентгеновского интерферометра . Это позволяет определить ее атомное расстояние с погрешностью всего три части на миллиард. Зная размер сферы, ее среднюю атомную массу и ее атомное расстояние, можно рассчитать требуемый диаметр сферы с достаточной точностью и низкой погрешностью, чтобы ее можно было отполировать 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 при давлении окружающей среды. Однако в настоящее время не существует технических средств, которые могли бы доказать долгосрочную стабильность лучше, чем у IPK, поскольку наиболее чувствительные и точные измерения массы производятся с помощью двухчашечных весов, таких как изгибно-полосковые весы FB‑2 BIPM (см. § Внешние ссылки ниже). Весы могут сравнивать массу кремниевой сферы только с массой эталонной массы. Учитывая последние знания об отсутствии долгосрочной стабильности массы у IPK и его копий, нет известного, идеально стабильного артефакта массы для сравнения. Одночашечные весы , которые измеряют вес относительно инварианта природы, не обладают точностью, необходимой для долгосрочной неопределенности в 10–20 частей на миллиард. Другая проблема, которую необходимо преодолеть, заключается в том, что кремний окисляется и образует тонкий слой (эквивалентный 5–20 атомам кремния в глубину) диоксида кремния ( кварца ) и монооксида кремния . Этот слой немного увеличивает массу сферы, эффект, который необходимо учитывать при полировке сферы до ее окончательного размера. Окисление не является проблемой для платины и иридия, которые являются благородными металлами , которые примерно такие же катодные, как кислород, и поэтому не окисляются, если их не уговорить сделать это в лаборатории. Наличие тонкого оксидного слоя на прототипе массы кремниевой сферы 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 в деталях определения килограмма. Один подход использует кремний со всеми тремя его естественными изотопами. Около 7,78% кремния составляют два более тяжелых изотопа: 29 Si и 30 Si. Как описано в § Углерод-12 ниже, этот метод определяет величину килограмма в терминах определенного числа атомов 12 C путем фиксации постоянной Авогадро; кремниевая сфера будет практической реализацией . Этот подход может точно очертить величину килограмма, поскольку массы трех нуклидов кремния относительно 12 C известны с большой точностью (относительная неопределенность 1 ppb или лучше). Альтернативный метод создания килограмма на основе кремниевой сферы предлагает использовать методы изотопного разделения для обогащения кремния до тех пор, пока он не станет почти чистым 28 Si, который имеет относительную атомную массу 27,976 926 5325 (19) . [16] При таком подходе постоянная Авогадро будет не только фиксированной, но и атомная масса 28 Si. Таким образом, определение килограмма будет отделено от 12 C, и килограмм будет вместо этого определен как 1000/27.976 926 5325 ⋅6,022 141 79 × 10 23 атомов 28 Si (≈35,743 740 43 фиксированных молей атомов 28 Si). Физики могли бы выбрать определение килограмма в терминах 28 Si, даже если прототипы килограмма сделаны из природного кремния (все три изотопа присутствуют). Даже при определении килограмма, основанном на теоретически чистом 28 Si, прототип кремниевой сферы, сделанный только из почти чистого 28 Si, обязательно немного отклонился бы от определенного числа молей кремния, чтобы компенсировать различные химические и изотопные примеси, а также влияние поверхностных оксидов. [17] [ мертвая ссылка ]
Хотя это определение и не предлагает практической реализации, оно точно определяет величину килограмма в терминах определенного количества атомов углерода-12 . Углерод-12 ( 12 C) является изотопом углерода. Моль в настоящее время определяется как «количество сущностей (элементарных частиц, таких как атомы или молекулы), равное количеству атомов в 12 граммах углерода-12». Таким образом, текущее определение моля требует, чтобы 1000/12 родинки ( 83+1/3 моль) 12 C имеет массу ровно один килограмм. Количество атомов в моле, величина, известная как постоянная Авогадро , определяется экспериментально, и на данный момент наилучшая оценка ее значения составляет6,022 140 76 × 10 23 единиц на моль. [18] Это новое определение килограмма предлагало зафиксировать постоянную Авогадро точно на6,022 14 X × 10 23 моль −1 , где килограмм определяется как «масса, равная массе 1000/12 ×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 неопределенность составляет 50 частей на миллиард (ppb) с 2006 года. При фиксировании постоянной Авогадро практический эффект этого предложения будет заключаться в том, что неопределенность массы атома 12 C — и величина килограмма — не могут быть лучше, чем текущая неопределенность в 50 ppb постоянной Планка. Согласно этому предложению, величина килограмма будет подлежать будущему уточнению по мере того, как станут доступны улучшенные измерения значения постоянной Планка; электронные реализации килограмма будут перекалиброваны по мере необходимости. Наоборот, электронное определение килограмма (см. § Электронные подходы ниже), которое точно зафиксирует постоянную Планка, будет продолжать позволять 83+1/3 моль 12 C имеет массу ровно один килограмм, но число атомов, составляющих моль (постоянная Авогадро), по-прежнему будет подлежать дальнейшему уточнению.
Вариация определения на основе 12 C предлагает определить постоянную Авогадро как84 446 889 3 (≈ 6,022 141 62 × 10 23 ) атомов. Воображаемая реализация прототипа массой 12 граммов будет представлять собой куб из 12 атомов C, размер которого будет точно84 446 889 атомов поперек стороны. Согласно этому предложению, килограмм будет определяться как «масса, равная84 446 889 3 × 83+1/3 атомы 12 C." [19] [Примечание 3]
Другой подход, основанный на Авогадро, накопление ионов , с тех пор заброшенный, определил бы и очертил килограмм, точно создавая новые металлические прототипы по требованию. Это было бы сделано путем накопления ионов золота или висмута (атомов, лишенных электрона) и подсчета их путем измерения электрического тока, необходимого 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 эффективно стабильными (висмут). [Примечание 4] См. также Таблицу нуклидов .
Например, при определении килограмма на основе золота относительная атомная масса золота могла бы быть установлена с такой точностью.196.966 5687 , от текущего значения196,966 5687 (6) . Как и в случае определения, основанного на углероде-12, постоянная Авогадро также была бы фиксирована. Килограмм тогда определялся бы как «масса, равная массе точно 1000/196.966 5687 ×6,022 141 79 × 10 23 атомов золота" (точно3 057 443 620 887 933 963 384 315 атомов золота или около5.077 003 71 неподвижная родинка).
В 2003 году немецкие эксперименты с золотом при силе тока всего лишь10 мкА продемонстрировали относительную неопределенность 1,5%. [21] Ожидалось , что последующие эксперименты с использованием ионов висмута и тока 30 мА позволят накопить массу 30 г за шесть дней и будут иметь относительную неопределенность лучше 1 ppm. [22] В конечном итоге подходы с накоплением ионов оказались непригодными. Измерения потребовали месяцев, а данные оказались слишком нестабильными для того, чтобы считать эту технику жизнеспособной будущей заменой IPK. [23]
Среди многочисленных технических проблем ионно-осаждающего аппарата было получение достаточно высокого ионного тока (скорости массового осаждения) при одновременном замедлении ионов, чтобы они все могли осаждаться на целевой электрод, встроенный 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, рикошетят от целевого электрода или даже выбивают атомы, которые уже были осаждены. Осажденная массовая доля в немецких экспериментах 2003 года приблизилась очень близко к 100% только при энергии ионов менее чем около1 эВ (< 1 км/с для золота). [21]
Если бы килограмм был определен как точное количество атомов золота или висмута, осажденных с помощью электрического тока, то не только постоянная Авогадро и атомная масса золота или висмута должны были бы быть точно зафиксированы, но также и значение элементарного заряда ( e ), вероятно,1,602 17 X × 10 −19 C (из рекомендуемого в настоящее время значения1,602 176 634 × 10 −19 Кл 24] ). Это фактически определило бы ампер как поток 1/1,602 17 X × 10 −19 электронов в секунду мимо фиксированной точки в электрической цепи. Единица массы СИ была бы полностью определена, если бы были точно зафиксированы значения постоянной Авогадро и элементарного заряда, а также использовался тот факт, что атомные массы атомов висмута и золота являются инвариантными, универсальными константами природы.
Помимо медленности создания нового стандарта массы и плохой воспроизводимости, были и другие внутренние недостатки подхода накопления ионов, которые оказались серьезными препятствиями для практического внедрения методов, основанных на накоплении ионов. Аппарат обязательно требовал, чтобы камера осаждения имела встроенную систему балансировки, чтобы обеспечить удобную калибровку разумного количества стандартов переноса относительно любого одного внутреннего прототипа с осаждением ионов. Более того, прототипы массы, полученные методами ионного осаждения, не были бы похожи на отдельно стоящие платино-иридиевые прототипы, используемые в настоящее время; они были бы осаждены на электрод, встроенный в одну чашку специальных весов, встроенных в устройство, и стали бы его частью. Более того, масса, осажденная ионами, не имела бы твердой, высокополированной поверхности, которую можно было бы энергично очищать, как у нынешних прототипов. Золото, будучи плотным и благородным металлом (устойчивым к окислению и образованию других соединений), чрезвычайно мягкое, поэтому внутренний золотой прототип должен был бы храниться хорошо изолированным и тщательно чистым, чтобы избежать загрязнения и потенциального износа из-за необходимости удаления загрязнения. Висмут, который является недорогим металлом, используемым в низкотемпературных припоях, медленно окисляется при воздействии воздуха комнатной температуры и образует другие химические соединения, и поэтому не мог бы производить стабильные эталонные массы, если бы он постоянно не поддерживался в вакууме или инертной атмосфере.
Такой подход определяет килограмм как «массу, которая будет ускорена точно2 × 10−7 м/с2 при воздействии силы на метр между двумя прямыми параллельными проводниками бесконечной длины, пренебрежимо малого круглого сечения, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, по которым течет постоянный ток 1/1,602 17 × 10 −19 элементарных зарядов в секунду».
По сути, это определило бы килограмм как производную ампера, а не текущее отношение, которое определяет ампер как производную килограмма. Это переопределение килограмма определило бы элементарный заряд ( e ) как точно 1,602 17 × 10−19 кулонов , а не текущее рекомендуемое значение1,602 176 634 × 10 −19 Кл . [24] Из этого обязательно следует, что ампер (один кулон в секунду) также станет электрическим током этого точного количества элементарных зарядов в секунду, проходящим через заданную точку в электрической цепи. Достоинство практической реализации, основанной на этом определении, заключается в том, что в отличие от весов Киббла и других методов, основанных на весах, все из которых требуют тщательной характеристики гравитации в лаборатории, этот метод описывает величину килограмма непосредственно в тех самых терминах, которые определяют природу массы: ускорение из-за приложенной силы. К сожалению, крайне сложно разработать практическую реализацию, основанную на ускоряющихся массах. Эксперименты в течение многих лет в Японии со сверхпроводящей массой 30 г, поддерживаемой диамагнитной левитацией, никогда не достигали неопределенности лучше десяти частей на миллион. Магнитный гистерезис был одной из ограничивающих проблем. Другие группы проводили похожие исследования, которые использовали различные методы для левитации массы. [25] [26]
Постоянная Авогадро и постоянная Планка переплетены в законах физики. Измерив постоянную Авогадро, доктор Беттин смог вывести постоянную Планка. А с точным измерением постоянной Планка он мог подтвердить результаты работы доктора Киббла, и наоборот.