Проблемы престарелого эталона

Эталон килограмма стар и болен, он теряет в весе. Для освидетельствования пожилого килограмма раз в год, начиная с 1889, его торжественно извлекают из специального хранилища в Международном бюро мер и весов в Севре. И каждый раз обнаруживается микроскопическое уменьшение веса. Килограмм чахнет. Об этом ясно говорят сравнения с копиями эталона . Природа болезни загадочна, но все симптомы налицо: за сто лет килограмм теряет около 0,00000003-й части своей драгоценной массы. В настоящее время в качестве стандарта килограмма используется изготовленный из сплава платины и иридия цилиндр, сохраняющийся с 1889 года в специальных условиях в Международном бюро мер и весов в Севре.

Здесь хранится "гиря со знаком К („К“ готическое заглавное), изготовленная из платиноиридиевого сплава (10% Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм" - эталон килограмма

Во второй половине января 2011 года Лондонское Королевское Общество организовало конференцию, на которой обсуждался вопрос о замены стандарта килограмма. При этом стандарт килограмма в настоящее время остается единственным из стандартов, который «привязан» к конкретному материальному объекту. Участники конференции обсуждали пути перехода к новому стандарту килограмма. Так, в настоящее время масса цилиндра на целых 50 микрограмм отличается от массы копий, которыми располагают национальные метрологические центры. Как считает Терри Квинн (Terry Quinn), экс-глава Бюро в Севре, изменения массы стандартного килограмма, могут быть связаны с постепенной потерей водорода, попавшего в сплав при изготовлении цилиндра, или, что также вполне возможно, из-за использования наждачной бумаги и полирующих жидкостей при обработке цилиндра в прошлом.

Чистка эталона происходила так...

Но что происходит на самом деле? Уменьшается масса стандарта или, наоборот, становятся тяжелее национальные копии? Ответить на это вопрос не представляется возможным – поскольку отсутствует тот объект, с которым стандарт можно было бы сравнить (и который при этом был бы заведомо более устойчивым).

В связи с этим стоит напомнить, что всем известная единица длины «один метр» раньше определялась как часть окружности Земли; в настоящее время ее определяют как расстояние, которое свет проходит за определенный промежуток времени. Точно также и секунда, которую раньше определяли как определенную часть суток, в настоящее время связывается с вполне определенным числом переходов между энергетическими уровнями в атоме цезия.

Международная команда исследователей из Германии, Австралии, Италии и Японии под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) хочет переопределить килограмм как массу определённого числа атомов. В лаборатории сделан совершенно круглый килограммовый шар из чистого кристаллического кремния.

Cамое круглое творение рук человеческих. Сделано в Австралии из российского кремния

Но возможно ли сосчитать атомы кремния? Сначала сферу сканировали лучом лазера, чтобы максимально точно определить ее объем. Затем, уже рентгеноскопическими методами, был определен объем, занимаемый одним атомом. В исследовании предполагалось определить точное число атомов кремния Si 28 в сфере; сделать это, однако, не удалось из-за присутствия в ней значительного числа атомов других изотопов кремния – Si 20 и Si 30.

Пришлось изготовить новую сферу, в которой практически полностью отсутствовали атомы нежелательных изотопов. В итоге точность измерений удалось довести до 3.0*10^-8.

Хотя число атомов кремния, составляющих уникальный объект, ещё не подсчитано, методика уже вызывает критику из другого лагеря, сплотившего учёных из США, Англии, Франции и Швейцарии. По их мнению, с сегодняшними технологиями невозможно точно сосчитать число атомов, поэтому килограмм легче и надёжнее вычислить, используя электрическое напряжение. Измерение энергии, дескать, проще подсчёта атомов. Может и проще, но только на словах.

Проект «электронный килограмм» ведётся в вашингтонском Национальном институте стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology — NIST). В работе используется сложный механизм, называемый балансом Ватта. В основу методики положена эквивалентность механической и электрической мощности. Следует создать электромагнитное поле, поместить в него эталонный килограмм, и замерить параметры эксперимента. Поскольку гравитационное поле постоянно и детерминировано местоположением трёхэтажной установки, через эталонный килограмм можно связать значения механических и электрических величин. Правда, надо ещё учесть приливно-отливные воздействия, а прочие проявления внешней среды можно исключить, поместив установку в глубокий вакуум.

Измерив значения длины, времени, электрического тока и сопротивления (а все они могут быть вычислены на основе фундаментальных и инвариантных квантовых явлений) можно квантовым же способом оцифровать и основную единицу — килограмм. Подобным образом была уже определена масса электрона.

О точности изощрённого и окольного способа вычисления килограмма говорить пока рано, учёные поглощены устранением колебаний напряжения в электрических цепях. Однако они уверены, что победа будет за ними, а не за конструкторами кремниевых шаров.

Работа над  ватт-балансом

По информации New York Times, секция массы BIMP, инстанция, в конечном счёте, определяющая судьбу килограмма, склоняется к последнему подходу, но сделать окончательный выбор пока очень сложно. Разница в результатах, полученных альтернативными способами, слишком велика. Но выбирать хотят между этим двумя, хотя существуют и другие варианты.

Источник:

http://www.znanie-sila.su/?issue=zsrf/issue_22.html&r=1