Kilogramy - chemická škola
kilogram
| štandard | Jednotka SI |
| Názov jednotky | kilogram |
| Symbol jednotky | $ \ mathrm $ |
| Popísané veľkosti | Rozmery |
| Symbol (y) veľkosti | $ m $ |
| Názov dimenzie | Rozmery |
| Symbol dimenzie | $ \ mathsf $ |
| V jednotkách CGS | 1 kg = 10 3 g |
| V jednotkách Planck | 1 kg = 4,7 · 10 7 |
| Pomenovaný po | Grécky. χίλιοι, chilioi (Tisíc) a γράμμα, gramma (List) |
| Pozri tiež: Ton (jednotka) | |
The kilogram je základná jednotka hmotnosti v medzinárodnom systéme jednotiek (SI). Jeho hmotnosť je určená hmotnosťou Medzinárodný prototyp kilogramu (tiež Pôvodný kilogram), platinovo-irídiový valec uchovávaný Medzinárodným úradom pre váhy a miery. Symbol jednotky pre kilogram je kg.
Názov jednotky kilogramu sa líši od systému Medzinárodného systému jednotiek v tom, že sa začína predponou SI (kilo); Preto sa desatinné časti a násobky kilogramu nesmú tvoriť z kilogramov pomocou predpôn alebo predpôn, ale sú odvodené od gramu. [1] Od modernizácie definície meradla v roku 1960 je kilogram jedinou základnou jednotkou SI, ktorá je stále definovaná porovnávacím objektom (prototypom).
Prototypy kilogramov a normály
Od roku 1889 - v metrológii kastrát - Medzinárodný prototyp kilogramu referenčný štandard pre jednotku merania kilogramov. Uchováva sa v trezore v Medzinárodnom úrade pre váhy a miery (BIPM) v Sèvres neďaleko Paríža. Je to valec vysoký 39 milimetrov a priemer 39 milimetrov, vyrobený zo zliatiny 90% platiny a 10% irídia. Materiál je do značnej miery chemicky inertný. Jeho vysoká hustota, podobne ako výber geometrie, minimalizuje účinky povrchových efektov. Obsah irídia vedie k výrazne vyššej tvrdosti (175 HV) v porovnaní s relatívne mäkkou čistou platinou, čo zlepšuje obrobiteľnosť počas výroby a hlavne znižuje obrusovanie pri manipulácii.
Okrem medzinárodného prototypu kilogramu má Medzinárodný úrad pre váhy a miery (BIPM) ďalšie referenčné a pracovné štandardy (→ Normálne), ktoré sú kópiami medzinárodného prototypu kilogramu a sú s ním spojené (pripojenie = kalibrácia na vyššom štandarde). Objednať). Referenčné normy sa používajú na riadenie (napr. Drift), zatiaľ čo pracovné normy sa používajú na pripojenie národných prototypov kilogramov, ktoré sú tiež kópiami medzinárodného kilogramového prototypu. Všetky kópie sa nazývajú kilogramové prototypy a sú kalibrované na ± 1 miligram. Spojenie referenčných a pracovných noriem s hmotnostnými komparátormi má relatívnu neistotu merania 3,10 −9, národný kilogramový prototyp 5,10 −9. Do roku 2003 bolo vyrobených 84 kilogramov prototypov.
Porovnania národného a medzinárodného kilogramového prototypu BIPM, takzvaných opätovných skúšok, sa uskutočňujú približne každých 50 rokov, predtým v rokoch 1939/46–1953 a naposledy v rokoch 1988–1992. Rovnako ako v porovnaní s referenčnými normami sa zistilo, že pôvodný kilogram sa za 100 rokov oproti kópiam zmenšil o 50 mikrogramov. [3] Príčina je zatiaľ neznáma. Bola vylúčená možnosť, že počas čistenia bol materiál odstránený z pôvodného kilogramu. Ďalším vysvetlením je, že napríklad vodík unikol zo zliatiny platiny a irídia. [4]
Pôvod a história
V roku 1889, s príslušným formálnym uznesením 1. Generálnej konferencie pre váhy a miery, bola definícia kilogramu z hmotnosti kilogramov définitif k tomu z Medzinárodný prototyp kilogramu dokončené. V rámci inšpekcií vykonaných v roku 1939 sa ukázalo, že to z dlhodobého hľadiska znamenalo výrazný rozdiel: V porovnaní s medzinárodným prototypom kilogramov sa ten vyrobený z kovanej platinovej špongie stratil Kilogramy archívu 430 mikrogramov jeho hmotnosti za 58 rokov. Z 40 kilogramov prototypov, ktoré boli kopírované, bolo 29 spočiatku rozdaných tombolou štátom Dohovoru a ďalším zainteresovaným stranám, najmä vedeckým spoločnostiam, za nákladovú cenu, jeden bol ponechaný okrem KI ako referenčná kópia s medzinárodným prototypom a dva boli pridelené BIPM ako pracovné kópie. Rezervné zásoby pristupujúce štáty znížili a v roku 1925 sa počet referenčných kópií zvýšil na štyri.
Plánované predefinovanie
V súčasnosti prebiehajú po celom svete práce na novom definovaní kilogramu takým spôsobom, aby sa dal odvodiť od základnej konštanty vo fyzike. Z dôvodu vyššie uvedenej odchýlky sa stal tento projekt obzvlášť naliehavý. Aby sa dosiahlo zlepšenie oproti súčasnej situácii, musí sa vyvinúť metóda na určovanie hmotnosti s presnosťou rádovo 10 −8. Výsledok by sa mal dosiahnuť do roku 2010, aby bolo možné prijať novú definíciu na nasledujúcej pravidelnej generálnej konferencii pre miery a váhy v roku 2011. Z hľadiska termínu sa dočasne upustilo od dvoch prístupov, ďalšie dva, projekt Avogadro a Wattova rovnováha, sa stále vážne sledujú. Projektu Avogadro pôvodne chýbala požadovaná presnosť v roku 2010, jeho dosiahnutie sa však považuje za isté, ak sa bude v projekte pokračovať. Až do konca januára 2011 neboli známe žiadne výsledky wattového vyváženia. Na konferencii bolo rozhodnuté odvodiť jednotky kilogram, ampér, kelvin a mól z fyzikálnych konštánt v budúcnosti. Rozhodnutie o presnom postupe a načasovaní jeho implementácie sa očakáva na nasledujúcej generálnej konferencii v roku 2014. [8] [9]
Projekt Avogadro
Stanovenie Avogadrovej konštanty $ N_A $ z hmotnosti $ m $ a objemu $ V $ telesa pozostávajúceho z materiálu so známou hustotou častíc $ n $ a molárnej hmotnosti $ M $:
Ak je v tomto prípade najväčším faktorom neistoty spoľahlivosť kilogramu, je to možné naopak: kilogram by sa dal definovať presnejšie ako predtým jeho definíciou ako hmotnosti určitého počtu atómov určitej zmesi izotopov.
Dostatočne presné stanovenie hustoty častíc $ n $ je možné iba pomocou röntgenového laserového interferometra a vyžaduje monokryštalický materiál. Kvôli požiadavkám na presnosť materiálových parametrov sa na to v súčasnosti dá použiť prakticky iba chemicky ultravysoký, izotopicky čistý kremík-28. S prírodným kremíkom, ktorý je zmesou troch izotopov, obmedzuje relatívna zlá stanoviteľnosť priemernej molárnej hmotnosti celkovú presnosť. Presné určenie objemu si vyžaduje výrobu vysoko presnej gule z materiálu. Okrem toho sa musí brať do úvahy hustota prázdnych miest, koncentrácie nečistôt, hrúbka a zloženie vrstvy oxidu kremičitého na povrchu a ďalšie.
Objem $ V $, vrátane odchýlok od sférického tvaru, sa meral interferometrami rôznych geometrií lúčov na NMIJ a NMI-A, ako aj na PTB, kde sa použil novo vyvinutý sférický interferometer založený na Fizeauovom interferometri s neistotami pod jedným nanometrom. [13]
Hrúbka a zloženie povrchovej vrstvy, ktorá v podstate pozostáva z oxidu kremičitého, sa skúmali pomocou elektrónového, röntgenového a synchrotrónového žiarenia na stanovenie celkovej hustoty. Stanovila sa okrem iného neočakávane vysoká úroveň kovovej kontaminácie sférických povrchov silikidmi medi a niklu počas procesu leštenia a odhadoval sa jej vplyv na výsledky objemu a hmotnosti gule, čo tiež viedlo k vyššej neistote merania, ako sa očakávalo. Väčšina zníženia relatívnej celkovej neistoty merania sa dosiahla vývojom novej hmotnostnej spektrometrickej metódy na stanovenie strednej molárnej hmotnosti kremíka $ M $. [14]
V roku 2010 sa Avogadrova konštanta zvýšila s celkovou neistotou merania 3,10 −8 N/A = 6,02214078 (18) · 10 23 mol − 1 novo zistených. [15] Táto presnosť prekračuje doposiaľ dosiahnutú presnosť, ale neistota je stále 1,5-krát vyššia ako 2,10 −8 požadovaná Poradným výborom pre hmotnosť pre novú definíciu kilogramu. Očakáva sa však, že s ďalšími vylepšeniami guľovej interferometrie a procesu brúsenia, ktoré viedli ku kontaminácii povrchovej vrstvy kovom, je možné v dohľadnej dobe dosiahnuť požadovanú presnosť. [16]
Wattová rovnováha
Stanovte hmotnosť skúšobnej vzorky s wattovou váhou. [17] Najskôr sa meria prúd v cievke, ktorý je potrebný na udržanie vznášajúcej sa vzorky. Po druhé, meria sa napätie, ktoré indukuje konštantný pohyb cievky v tomto magnetickom poli. Dva výsledky merania sa znásobia, čo má za následok formálny elektrický výkon s jednotkou wattu. Okrem toho musí byť známa rýchlosť pohybujúcej sa cievky a gravitačné zrýchlenie v mieste váh. Tento postup, ako základ pre predefinovanie kilogramu, by tiež určil hodnotu kvanta akcie $ h $.
Kanadská rada pre národný výskum (ktorá prevzala prácu od Britského národného fyzikálneho laboratória [18]), americký národný inštitút pre štandardy a technológie a švajčiarsky federálny úrad pre metrológiu pracujú na metóde wattovej rovnováhy.
Akumulácia iónov
Tvorba vážiteľnej hmoty pomocou iónového lúča (elektricky nabitých atómov) a zhromažďovania iónov. Meraním elektrického prúdu iónového lúča a času možno potom vypočítať hmotnosť atómu v jednotkových kilogramoch. Physikalisch-Technische Bundesanstalt uskutočňoval experimenty so zlatom od roku 1991, v roku 2004 prešiel na bizmut a experimenty prerušil v roku 2008, pretože bolo nemožné dosiahnuť konkurenčné výsledky pomocou tejto metódy až do rozhodnutia o predefinovaní. [19]
Experiment s magnetickou levitáciou
Magnet je vyrobený tak, aby plával v nehomogénnom magnetickom poli. Jeho hmotnosť sa dá vypočítať z polohy magnetu v tomto poli. Týmto prístupom sa v tom čase pôvodne riadilo Japonské národné výskumné laboratórium metrológie, odvtedy sa však od neho upustilo pre nedostatok dosiahnuteľnej presnosti. Japonsko je tiež zapojené do projektu Avogadro.
literatúry
Richard Davis: Jednotka hmotnosti SI. In: Metrologia 40 (2003), č. 6 (mimoriadne vydanie: omša), s. 299-305 - doi: 10.1088/0026-1394/40/6/001