Из каких металлов изготовлен эталон килограмма. Масса вариантов. Все, что может испортиться…

Новое определение килограмма , основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступит в силу 20 мая 2019 года. При этом с практической точки зрения величина килограмма не изменится, но существующий «прототип» (эталон) более не будет определять килограмм, а станет очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.

Прототип килограмма

Килограмм и постоянная Планка

Эти две формулы, найденные в начале XX века, устанавливают теоретическую возможность измерения массы через энергию индивидуальных фотонов , но практические эксперименты, позволяющие связать массу и постоянную Планка, появились лишь в конце XX века.

U 1 I 2 = m g v 1 , {\displaystyle U_{1}I_{2}=mgv_{1},}

где U 1 I 2 {\displaystyle U_{1}I_{2}} - произведение электрического тока во время балансирования массы и напряжения в процессе калибровки, - произведение ускорения свободного падения g {\displaystyle g} и скорости катушки v 1 {\displaystyle v_{1}} во время калибровки весов. Если g v 1 {\displaystyle gv_{1}} независимо замерено с высокой точностью (практические особенности эксперимента также требуют высокоточного замера частоты ), предыдущее уравнение по сути определяет килограмм в зависимости от величины ватта (или наоборот). Индексы у U 1 {\displaystyle U_{1}} и I 2 {\displaystyle I_{2}} введены с тем, чтобы показать, что это виртуальная мощность (замеры напряжения и тока делаются в разное время), избегая эффектов от потерь (которые могли бы быть вызваны, например, наведёнными токами Фуко) .

Связь между ваттом и постоянной Планка использует эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла :

Поскольку I 2 = U 2 R {\displaystyle I_{2}={\frac {U_{2}}{R}}} , где R {\displaystyle R} - электрическое сопротивление , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\displaystyle U_{1}I_{2}={\frac {U_{1}U_{2}}{R}}} ; эффект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\displaystyle U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)} ; квантовый эффект Холла: R (i) = 1 i (h e 2) {\displaystyle R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)} ,

где n {\displaystyle n} и i {\displaystyle i} - целые числа (первое связано со ступенькой Шапиро , второе - фактор заполнения плато квантового эффекта Холла), f {\displaystyle f} - частота из эффекта Джозефсона, e {\displaystyle e} - заряд электрона . После подстановки выражений для U {\displaystyle U} и R {\displaystyle R} в формулу для мощности и объединения всех целочисленных коэффициентов в одну константу C {\displaystyle C} , масса оказывается линейно связанной с постоянной Планка:

m = C f 1 f 2 h g v 1 {\displaystyle m=Cf_{1}f_{2}{\frac {h}{gv_{1}}}} .

Поскольку все остальные величины в этом уравнении могут быть определены независимо от массы, оно может быть принято за определение единицы массы после фиксации значения 6,62607015×10 −34 для постоянной Планка.

Этимология и употребление

Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme », которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι » (chilioi ), что означает «тысяча» и «γράμμα » (gramma ), что означает «маленький вес» Слово «kilogramme » закреплено во французском языке в 1795 году . Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году , в то время как в США слово стало использоваться в форме «kilogram », позднее ставшее популярным и в Великобритании Положение о мерах и весах (англ. Weights and Measures Act ) в Великобритании не запрещает использование обоих написаний .

В XIX веке французское сокращение «kilo » было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов , так и километров .

Природа массы

Измерение массы через вес тела - действие силы тяжести на измеряемый объект вызывает деформацию пружины.

Измерение гравитационной массы - действие силы тяжести на измеряемый объект уравновешено действием силы тяжести на противовес.

Килограмм является единицей массы , величины , которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса характеризует два различных свойства тела: гравитационное взаимодействие с другими телами и инертность . Первое свойство выражается законом всемирного тяготения : гравитационное притяжение прямо пропорционально произведению масс. Инертность находит отражение в первом (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила) и втором законе Ньютона: a = F/m ; то есть объект массой m в 1 кг получит ускорение a в 1 метр в секунду за секунду (около одной десятой ускорения свободного падения , вызванного притяжением Земли) , когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон . По современным представлениям, гравитационная и инертная массы эквивалентны .

Поскольку торговля и коммерция обычно имеют дело с предметами, чья масса намного значительней одного грамма, и поскольку стандарт массы, изготовленный из воды, был бы неудобен в обращении и сохранении, было предписано отыскать способ практической реализации такого определения. В связи с этим был изготовлен временный эталон массы в виде металлического предмета в тысячу раз тяжелее, чем грамм, - 1 кг.

Временный эталон был изготовлен из латуни и постепенно покрылся бы патиной , что было нежелательно, поскольку его масса не должна была меняться. В 1799 году под руководством Лефёвра-Жено и Фабброни был изготовлен постоянный эталон килограмма из пористой платины , которая химически инертна. С этого момента масса эталона стала основным определением килограмма. Сейчас этот эталон известен как kilogramme des Archives (с фр.  -  «архивный килограмм») .

Копия эталона 1 кг, хранится в США.

За XIX век технологии измерения массы значительно продвинулись. В связи с этим, а также в преддверии создания в 1875 году Международного бюро мер и весов , специальная международная комиссия запланировала переход к новому эталону килограмма. Этот эталон, называемый «международный прототип килограмма», был изготовлен из платиново-иридиевого сплава (более прочного, чем чистая платина) в виде цилиндра высотой и диаметром 39 мм , и с тех пор он хранится в Международном бюро мер и весов. В 1889 году было принято международное определение килограмма как массы международного прототипа килограмма ; это определение продолжит действовать до мая 2019 года.

Были изготовлены также копии международного прототипа килограмма: шесть (на данный момент) официальных копий; несколько рабочих эталонов, используемых, в частности, для отслеживания изменения масс прототипа и официальных копий; и национальные эталоны, калибруемые по рабочим эталонам . Две копии международного эталона были переданы России , они хранятся во ВНИИ метрологии им. Менделеева .

За время, прошедшее с изготовления международного эталона, его несколько раз сравнивали с официальными копиями. Измерения показали рост массы копий относительно эталона в среднем на 50 мкг за 100 лет . Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место . Для оценки величины абсолютного изменения массы международного прототипа килограмма приходилось строить модели, учитывающие результаты сравнений масс самого прототипа, его официальных копий и рабочих эталонов (при этом, хотя обычно участвующие в сравнении эталоны обычно предварительно промывали и чистили, но не всегда), что дополнительно усложнялось отсутствием полного понимания причин изменений масс. Это привело к пониманию необходимости ухода от определения килограмма на основе материальных предметов .

В 2011 году XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию, в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов . В частности предлагалось, что «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X⋅10 −34 , когда она выражается единицей СИ м 2 ·кг·с −1 , которая равна Дж·с». В Резолюции отмечается, что сразу после предполагаемого переопределения килограмма масса его международного прототипа будет равна 1 кг, но это значение приобретёт погрешность и впоследствии будет определяться экспериментально. Такое определение килограмма стало возможным благодаря прогрессу физики в XX веке.

В 2014 году было проведено внеочередное сравнение масс международного прототипа килограмма, его официальных копий и рабочих стандартов; на результатах этого сравнения основаны рекомендованные значения фундаментальных постоянных CODATA 2014 и 2017 годов, на которых, в свою очередь, основывается новое определение килограмма.

Рассматривалось также альтернативное определение килограмма, основанное на результатах работы The Avogadro Project. Команда проекта, создав сферу из изотопа кремния 28 Si массой 1 кг и рассчитав количество атомов в ней, предполагает описать килограмм как определённое количество атомов данного изотопа кремния . Однако Международное бюро мер и весов не стало использовать такой вариант определения килограмма .

XXVI Генеральная конференция по мерам и весам в ноябре 2018 года одобрила новое определение килограмма, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступит в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, и согласно современному определению составляет приблизительно 1000,0 килограммов .

Кратные и дольные единицы

По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10 −3 кг).

Вместо мегаграмма (1000 кг), как правило, используют единицу измерения «тонна ».

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
10 1 г декаграмм даг dag 10 −1 г дециграмм дг dg
10 2 г гектограмм гг hg 10 −2 г сантиграмм сг cg
10 3 г килограмм кг kg 10 −3 г миллиграмм мг mg
10 6 г мегаграмм Мг Mg 10 −6 г микрограмм мкг µg
10 9 г гигаграмм Гг Gg 10 −9 г нанограмм нг ng
10 12 г тераграмм Тг Tg 10 −12 г пикограмм пг pg
10 15 г петаграмм Пг Pg 10 −15 г фемтограмм фг fg
10 18 г эксаграмм Эг Eg 10 −18 г аттограмм аг ag
10 21 г зеттаграмм Зг Zg 10 −21 г зептограмм зг zg
10 24 г иоттаграмм Иг Yg 10 −24 г иоктограмм иг yg
применять не рекомендуется не применяются или редко применяются на практике

См. также

Примечания

Комментарии

  1. Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, (NIST), Национальным метрологическим бюро (англ. National Measurement Office ) Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады , и (англ. ) Австралии.
  2. В профессиональной метрологии ускорение, вызванное притяжением Земли, принимается как стандартное ускорение свободного падения (обозначается символом g ), которое определяется как точно 9,80665 м/с². Выражение 1 м/с² означает, что каждую секунду скорость изменяется на 1 метр в секунду.
  3. В соответствии с теорией относительности и использовавшейся в первые десятилетия после её создания терминологией, масса тела m возрастает при увеличении скорости его движения согласно формуле m = γm 0 , где m 0 - масса покоящегося тела, а γ - Лоренц-фактор , значение которого определяется отношением скорости тела к скорости света . Этот эффект пренебрежимо мал, когда тела движутся с обычными для земных условий скоростями, которые на много порядков меньше скорости света, и с высокой точностью выполняется γ = 1 . В современной физике используется другая терминология: массой принято называть только не зависящую от скорости движения тела величину m 0 , а зависящей от скорости величине γm 0 специального наименования не присваивают и самостоятельного физического смысла не придают .
  4. Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба [со стороной] в десятую часть метра». Оригинальный текст: «Litre , la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre. »
  5. Современные измерения показывают, что температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, составляет 3,984 °C. Однако учёные конца XVIII века использовали значение 4 °C.
  6. Временный эталон килограмма был изготовлен в соответствии с единственным неточным измерением плотности воды, сделанным ранее Антуаном Лавуазье и Рене Жюст Гаюи , которое показало, что один кубический дециметр дистиллированной воды при 0 °C имеет массу в 18 841 гран согласно французской системе мер (англ. Units of measurement in France ), которой скоро предстояло исчезнуть. Более новое и аккуратное измерение, проведённое Лефёвром-Жино и Фабброни показало, что масса кубического дециметра воды при температуре 4 °C составляет 18 827,15 гран

Источники

  1. Деньгуб В. М. , Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. - М. : Издательство стандартов, 1990. - С. 61. - 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5 .
  2. Unit of mass (kilogram) (англ.) . SI Brochure: The International System of Units (SI) . BIPM . Проверено 11 ноября 2015.
  3. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (неопр.) . Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений . Росстандарт . Проверено 28 февраля 2018.
  4. Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
  5. Verifications (англ.) . Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) . BIPM . Проверено 8 октября 2015.
Эталон килограмма, хранящийся в Париже
– единица массы в Международной системе единиц (СИ) и некоторых других метрических системах. По определению один килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Килограмм входит в семи основных единиц СИ, через которые определяется много других единиц. Это единственная одниця СИ с префиксом. Единица без префикса – грамм – равен одной тысячной килограмма.
Килограмм является единицей массы, а не веса, хотя в посякденному потребления понятие массы и веса часто путают. Единицей силы, а вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес, в системе СИ является ньютон. Раньше, до 1960, использовалась единица килограмм-сила. Ее можно встретить в старой физической литературе, и в некоторых технических областях, однако в физике использования этой единицы не рекомендуется как устаревшей.
Поскольку масса прототипа килограмма меняется со временем, а точное определение основной единицы СИ важно для точных измерений многих физических величин, Международный комитет мер и весов принял в 2005 решение о необходимости переопределения килограмма через фундаментальные физические постоянные. Однако, окончательное решение по этому поводу ожидается не ранее 2015.
Килограмм как единица массы был предложен после Великой французской революции с целью упорядочения системы единиц с применением десятичной системы. 7 апреля 1795 была провозглашена новую единицу грамм, как «абсолютный вес объема воды, равном кубу одной сотой части метра при температуре плавления льда». Килограмм при этом определении был производной единицей, равной тысяче граммов. Ввиду того, что стандарт в виде определенного количества воды был бы ненадежным, возникла проблема его практической реализации. Был изготовлен временный металлический эталон, с весом в 1000 граммов. Вместе была поставлена задача точного измерения массы одного дециметра кубического, т.е. литра, воды.
После нескольких лет исследований французский химик Луи Лефевр-женск и итальянский естествоиспытатель Джованни Фабброни сделали вывод, что точное определение будет не при температуре плавления льда, 0 ° C а при температуре, при которой плотность воды наибольшая – 4 ° C. Определена масса составляла 99.9265% временного эталона. В 1799 был изготовлен платиновый эталон, масса которого соответствовала массе воды при 4 ° C. Этот килограмм получил название килограмма архива и служил эталоном течение следующих 90 лет.
Современным эталоном килограмма является цилиндрическая гиря высотой и диаметром 39 миллиметров, что хранится в Международном бюро мер и весов в Севре (пригород Парижа, Франция). Эта гиря отлитая в 1879 году из сплава платины (90%) и иридия (10%), впервые приготовленного французским химиком Сент-Клер Девиль в 1872 году. Прототип был утвержден первый Генеральной конференцией мер и весов в 1889 году.
В 1875 году 17 стран мира подписана Метрическая конвенция, которая положила начало процесс создания международной системы единиц. Международный прототип килограмма был изготовлен как результат этой договоренности. Благодаря использованию сплава платины и иридия увеличилась жесткость образца. Кроме самого прототипа в Международном бюро мер и весов сохраняется еще шесть его копий. Примерно 80 копий этого эталона также хранятся в других странах.
Когда килограмм был утвержден в качестве единицы еще не было четкого понимания разницы между массой и весом. Масса – характеристика инерционных свойств тел. Вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Значение массы тела одинаково в любой точке Земли, тогда как вес зависит от силы тяжести, то есть разная в разных точках Земли, зависит от географической широты и долготы, высоты над уровнем моря и даже от пород, залегающих под поверхностью в конкретном месте.
С целью устранения путаницы, существовавшей в то время, 1-я Генеральная конференция по мерам и весам (1889) утвердила международный прототип килограмма как прототип единицы массы. В решениях 3-й Генеральной конфереции мер и весов четко разграничены килограмм за единицу силы и килограмм как единицу массы.
Существует также отдельное фундаментальное физическое вопрос о равенстве инерционной и гравитационной масс, но в контексте определения эталона килограмма не существенное.
Изменение массы национальных прототипов килограмма K21-K40 и сестринских копий K32 и K8 (41) со временем относительно международного прототипа. Все измерения представлены как относительные. Измерений массы, которые свидетельствовали бы о том, какой из прототипов найстабильшиший о природных инвариантов нет. Существует возможность, что все прототипы увеличили свою массу за 100 лет, а K21, K35, K40 и международный прототип набрали меньшую массу, чем другие. Точность воспроизведения единицы массы – килограмма – с помощью прототипа килограмма (относительная погрешность не превышает 2.10 -8) в основном удовлетворяет запросы современной науки и техники. Однако перспективы их развития требуют дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц массы. Кроме того, зруйновнисть и невидтворюванисть международного прототипа килограмма оставляет в центре внимания метрологов проблему установления естественной меры для килограмма.
В результате последнего (на 2005 год) сопоставление копий и эталона килограмма было выявлено, что общий эталон (который находится в Париже) потяжелел на 28 микрограммов. Учитывая это, а также для установления более стабильного эталона массы, сейчас предложено несколько вариантов замены эталона килограмма на надежный (например, нанеся количество атомов в кристалле какого-либо химического элемента, или выразив через единицы энергии, расходуемых при переходах между электронными уровнями, или с помощью так называемых "обратных ампер-весов"). Но до сих пор альтернативные определения килограмма не приняты.
Другое направление решения этой проблемы заключается в разработке и создании образцов массы одноизотопного состава. Проведенные исследования показывают реальную возможность воспроизведения единицы массы с точностью, намного превышает любые практические запросы.

Определение единицы массы - килограмма - было дано IIIГенеральной конференцией по мерам и весам 1901 г. в следующем виде:

"Килограмм - единица массы - представлен массой международного прототипа килограмма".

При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы была принята масса 1 кг, равная массе 1 дм 3 чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 o С).

В этот период были проведены точные измерения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.

В XIX в. было произведено повторное тщательное измерение массы 1 дм 3 воды, при этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0,28 г) меньше массы прототипа Архива.

Для того, чтобы при дальнейших, более точных взвешиваниях, не менять значения единицы массы, Международной комиссией по эталонам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

В 1883 г. были изготовлены 42 прототипа килограмма из платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) фирмой Джонсон, Маттей и К° и копии №12 и №26 получены по жребию Россией в 1889 г. согласно Метрической конвенции. Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении ГП “ВНИИМ им. Д.И.Менделеева”, г. С.-Петербург.

В состав государственного первичного эталона единицы массы кроме гири входят эталонные весы номер 1 (Рупрехта) и номер 2 (ВНИИМ) на 1кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы от прототипа номер 12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам (2 эталонам 1 раз в 10 лет).

Погрешность воспроизведения массы эталоном килограмма не превышает 2·10 -9 . Таким образом, эталон килограмма позволяет записывать результат измерения массы в лучшем случае числом из девяти цифр. Несмотря на все предосторожности, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной гири увеличилась на 0,02 мг. Объясняется это адсорбцией молекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверхность гири и образованием тонкой коррозионной пленки.

В связи с развитием работ по созданию новых эталонов единиц ФВ, основанных на атомных постоянных, предлагается использование в качестве эталона массы нейтрона. Другое предложение основано на воспроизведении единицы массы через счетное число атомов какого-нибудь химического элемента, например изотопа кремния-28. Для этого необходимо повысить точность определения числа Авогадро, на что сейчас направлены усилия многих лабораторий мира.

1.3.3 Эталон единиц времени и частоты

Еще в древности счет времени основывался на периоде обращения Земли вокруг своей оси. До недавнего времени секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток (т. к. продолжительность суток в течение года изменяется). Позднее было обнаружено, что вращение Земли вокруг своей оси происходит неравномерно. Относительная погрешность определения единицы времени в соответствии с этим определением составляла около 10 -7 , что было недостаточно для метрологического обеспечения измерителей времени и частоты. Поэтому в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца - тропический год (т.е. интервал между двумя весенними равноденствиями). Размер секунды был определен как 1/31556925,9744 часть тропического года. Поскольку тропический год также изменяется (около 5 с за 1000 лет), то за основу был взят тропический год, отнесенный к 12 ч эфемеридного времени (равномерно текущее время, определяемое астрономическим путем) 0 января 1900 года, что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Это определение секунды было зафиксировано в Международной системе единиц 1960 г. Данное определение позволило на 3 порядка (в 1000 раз) снизить погрешность определения единицы времени.

Успехи квантовой физики позволили использовать частоту излучения или поглощения при энергетических переходах в атомах цезия и водорода для определения размера единицы времени. XIIIГенеральная конференция по мерам и весам в 1967 г, приняла новое определение единицы времени - секунды:“Секунда – это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133”.

Выбор количества колебаний произведен таким образом, чтобы привязать “цезиевую”секунду к“тропической”.

В соответствии с определением единицы времени воспроизведение ее осуществляется цезиевым репером (рис. 1.4). Основой эталона является атомно-лучевая трубка. Атомы цезия-133 испускаются нагретым до температуры 100-150 0 С источником 1. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3, пролетая через который взаимодействуют с переменным электромагнитным полем СВЧ. Частота электромагнитных колебаний может регулироваться в небольших пределах.

1 - источник атомов цезия-133; 2, 4 - магниты; 3 - резонатор; 5 – детектор

Рисунок 1.4 - Структурная схема цезиевого репера

При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля и атомы переходят в основное состояние. Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются в детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Это служит основой стабилизации частоты в цезиевом репере, в котором электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия, принятой за рабочую. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия.

При отклонении частоты кварцевого генератора (собственная нестабильность частоты равна 10 -8 от номинального значения) интенсивность переходов атомов и, следовательно, плотность атомного пучка на выходе трубки резко сокращается.

Блок автоподстройки, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал ошибки, возвращающий частоту кварцевого генератора к номинальному значению. Стабильность цезиевого репера составляет 10 13 . Делитель частоты, находящийся в кварцевых часах, позволяет получить на их выходе требуемые частоты и временные интервалы (в том числе и частоту 1 Гц).

Долговременная стабильность цезиевого репера частоты невелика. Поэтому для хранения единиц времени и частоты в состав государственного первичного эталона входит водородный мазер (рис. 1.5).

1 - стеклянная трубка; 2 - коллиматор; 3 - шестиполюсной осевой магнит; 4 - накопительная ячейка; 5 - резонатор; 6 - многослойный экран

Рисунок 1.5 - Мазер на атомарном водороде

В стеклянной трубке 1 под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор 2, обеспечивающий его направленность, попадает в неоднородное магнитное поле шестиполюсного осевого магнита 3, где претерпевает пространственную сортировку. В результате последней на вход накопительной ячейки 4, расположенной в объемном резонаторе 5, попадают лишь атомы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уровне. Находящийся внутри многослойного экрана 6 высокодобротный резонатор настроен на частоту используемого квантового перехода. Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение генератора, частота которого отличается высокой стабильностью (510 -14). Значение этой частоты периодически поверяется по цезиевому реперу.

Наряду с водородным мазером для хранения шкал времени в состав государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкал времени входит группа квантово-механических часов. Общий диапазон временных интервалов, воспроизводимых эталоном, составляет 10 -8 10 8 с. Эталон расположен в ГП ВНИИФТРИ г. Москва.

Cтраница 2


Из сплава платины с иридием в нашей стране изготовлен эталон килограмма, представляющий собой прямой цилиндр диаметром 39 мм и высотой тоже 39 мм.  

В Международной системе единиц (SI) килограмм (эталон килограмма в Севре) принят в качестве единицы массы для того, чтобы исключить эту путаницу.  

Из сплава платины с иридием в нашей стране изготовлен эталон килограмма, представляющий собой прямой цилиндр диаметром 39 мм и высотой тоже 39 мм. Он хранится в Ленинграде, во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им.  

Силы: 1 килограмм-силы (кгс) - вес эталона килограмма в месте его хранения (в Севре, где находится Международное бюро мер и весов); 1 кгс - основная единица устаревшей технической системы единиц; 1 тс (тонна силы) № кгс.  

В СССР национальными прототипами являются эталон метра № 28 я эталон килограмма № 12, полученные Россией в 1889 г. от Международного бюро мер и весов. Тогда же были получены эталон метра № 11 и килограмма № 26, которые являются эталонами-копиями. Национальные прототипы и их копии хранятся и воспроизводятся во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) им.  

Точка / характеризует наивысшую точность, которая достигается при сличениях эталонов килограмма. Кривая 2 имеет минимум при нагрузке, равной 1 кг. Это объясняется тем, что в точке / передача значения единицы массы производится прямым сравнением с эталонами, в то время как при других нагрузках сказываются дополнительно погрешности, связанные с калибровкой гирь, воспроизводящих кратные или дольные значения килограмма. Как известно, с уменьшением предельной нагрузки весов абсолютные значения погрешностей быстро падают. Быстрый рост значений приведенных погрешностей объясняется в значительной мере тем, что при малых нагрузках влияние внешних возмущений и сил трения сказывается в сравнительно большей степени, чем при больших нагрузках.  

Исследования, производимые в этой области, пока еще не позволяют заменить искусственный эталон килограмма естественным, не зависящим от сохранности прототипа.  

Новый эталон метра был изготовлен из устойчивого сплава платины и иридия и вместе с эталоном килограмма (масса 1 000028 куб.  

В 1889 г. иод наблюдением международной комиссии было закончено изготовление 34 эталонов метра и 43 эталонов килограмма. В том же году в Париже на первой международной конференции по мерам и весам были утверждены международные прототипы метра и килограмма.  

В подвалах ИнтернациональногсГбюро весов и мер близ - Парижа хранится эталон из иридистзй платины, признанный всеми как эталон килограмма. Так как литр является единицей измерения объемов жидкостей, более правильно и точно употреблять один миллилитр как одну тысячную часть литра, но не один кубический сантиметр.  

Как бы ни была высока точность, с которой хранилась единица длины при помощи платиноиридие-вого штрихового прототипа метра, этот эталон подвержен изменениям, так как он являлся вещественным, как и эталон килограмма.  

Технохимические весы.| Пружинные весы.  

Единицей массы в СИ является килограмм. Эталон килограмма представляет собой специально изготовленный платиноиридиевый цилиндр, хранящийся в сейфе Международного бюро мер и весов в Севре, под Парижем.  

Единица массы килограмм равна массе международного прототипа килограмма. Эталоном килограмма является платиноиридиевый прототип, принятый на III Генеральной конференции по мерам и весам в 1901 г. и хранящийся в Париже.  

Для измерения силы ее сравнивают с весом определенных тел. Эталоном килограмма служит платино-иридиевыи цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и весов в Севре близ Парижа. Вес эталона килограмма с большой точностью приближается к весу 1 дм3 чистой воды при температуре 4 С для географической широты Парижа.  

Эталон массы

Это - килограммовая гиря из платиноиридиевого сплава, определенной формы, хранящаяся под двойным колпаком и так далее. Гирь таких было изготовлено несколько, их раз в сколько-то лет свозят в Париж и так далее, см. выше рассуждение насчет того, что такое точность эталона. Естественен вопрос, почему не взять естественный эталон - атом. Вот уж у кого по всем современным воззрениям с постоянством массы дело обстоит хорошо. Ответ прост - потому что атом маленький, а отсчитать число Авогадро атомов - замучаешься. Степень у десяти такая большая, что даже фуллерен из урана не спас бы дела. Но перейти на естественный псевдоатомный эталон хочется. Поэтому ведутся работы по созданию эталона массы на основе эталона метра и атомных свойств (то есть в итоге это все-таки атомный эталон). А именно, предполагается, что это будет шар точно известного размера из моноизотопного кремния. Шар - чтобы избежать неопределенности, связанной с истинной геометрией ребер, кремний - поскольку для него разработаны технологии очистки. У кремния три стабильных изотопа, что затрудняет получение точных копий эталона, но зато для кремния разработаны методы очистки от примесей, а изотопно-чистый кремний представляет, как пишут, свой интерес для полупроводниковой техники и технология его изготовления существует.

Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей Александрович

§ 1.15 Релятивистский эффект изменения массы Эксперименты Кауфмана одинаково хорошо объясняются как посредством допущения абсолютного движения с изменяющейся массой, так и посредством рассмотрения массы как постоянной, а движений как относительных. Также они вполне

Из книги Записки строителя автора Комаровский Александр Николаевич

§ 1.16 Аннигиляция и эквивалентность массы и энергии Тело вещей до тех пор нерушимо, пока не столкнётся С силой, которая их сочетанье способна разрушить. Так что, мы видим, отнюдь не в ничто превращаются вещи, Но разлагаются все на тела основные обратно… ….Словом, не

Из книги Очень общая метрология автора Ашкинази Леонид Александрович

§ 1.17 Природа массы и гравитации Объяснение Цёлльнера, принятое Лоренцем, состоит, как известно, в том, что сила притяжения двух электрических зарядов противоположного знака немного превосходит силу отталкивания двух зарядов одного знака и той же абсолютной величины.

Из книги автора

§ 3.13 Ядерные реакции и дефект массы Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественной

Из книги автора

Приложение № 3 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ БУМАЖНОЙ МАССЫ Для приготовления 1 кг бумажной массы (мастики) берется (в г):Мел молотый - 450Клей казеиновый марки ОБ - 200Олифа натуральная - 100Канифоль - 20Бумажная пыль (кноп) - 200Квасцы алюминиевые - 15Глицерин

Из книги автора

Эталон длины Сначала эталоны были естественные, например, эталоном длины был, возможно, пояс короля Карла такого-то. Потом король слегка разъелся и экономика сошла с ума. Поэтому взяли длину маятника с определенным периодом (привязав тем самым эталон длины к эталону

Из книги автора

Эталон времени В природе полно периодических процессов, поэтому с естественным эталоном времени проблем не было, правда лично я взял бы не вращение Земли, а периодическое возникновение желания пожрать. Потому что вращается Земля или нет - мы видим только днем, а кушать

Из книги автора

Эталон количества вещества Это моль, который в общем-то дублирует эталон массы, но сохраняется как понятие для удобства в основном химических вычислений. Отдельного эталона моля не существует. По определению, это такое количество вещества, которое содержит столько

Из книги автора

Эталон температуры В физике есть несколько разных «температур», высокая метрология знает одну - термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии

Из книги автора

Эталон тока Исторически эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось - особо стабильным гальваническим элементом

Из книги автора

Эталон силы света Свет - это электромагнитное излучение в диапазоне непосредственного восприятия человеком. Поэтому в технике и, соответственно, метрологии, ему уделяется большее внимание. Световых единиц, как известно, четыре - световой поток, сила света, светимость и