Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » О метрологии » Иващук В.Д., Хрущев В.В., "О новых определениях килограмма и моля в международной системе единиц"

О новых определениях килограмма и моля в международной системе единиц

ООО Метрологический консалтинг. Аккредитация на право поверки средств измерений.



В.В. Хрущев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «ВНИИМС», Москва, khkon @ vniims.ru



Обсуждаются варианты новых определений единиц массы и количества вещества СИ и результаты измерений постоянных Планка, Авогадро в связи с планируемым переходом на новые определения килограмма и моля на основе фиксированных значений этих постоянных.

1. Введение

Системы единиц физических величин являются частью необходимого инструментария науки, промышленности, военного дела и торговли. Как и любые инструменты, они должны соответствовать современной стадии развития этих областей человеческой деятельности. Готовящееся в настоящее время переопределение основных единиц Международной системы единиц (СИ) [1-4] может рассматриваться как ответ на это требование. Планируемая реформа СИ опирается на предложение определить основные единицы, фиксируя точные значения соответствующих констант, которые в этом случае называются определяющими константами (ОК) [2]. К ОК относятся фундаментальные физические константы (ФФК), атомные константы, пересчетные коэффициенты и технические константы. Например, постоянная Планка h относится к ФФК, частота перехода между сверхтон-
кими уровнями основного состояния атома цезия AvCs - к атомным константам, постоянная Больцмана - к пересчетным коэффициентам, величина Kcd, которая используется при определении канделы -к техническим константам.

Предложение по переопределению ряда единиц СИ появилось в 1999 г. [5], более полный набор предложений - в 2006 г. [6]. Были рассмотрены несколько наборов ОК. В частности, в качестве основного варианта предложен вариант фиксации с нулевой неопределенностью значений постоянных h, е, k и Na, чтобы на этой основе переопределить четыре единицы СИ: килограмм, ампер, кельвин и моль [2, 3, 6]. Основная причина изменения существующих определений этих единиц - выявленная временная нестабильность Международного прототипа килограмма (IPK) на уровне 5x10-10 кг в год [7, 8]. Использование точных значений констант имеет огромное значение в метрологии [5, 6, 9, 10], и предложения по переопределению четырех единиц СИ с помощью фиксации значений констант получили поддержку метрологических организаций, совещаний и конференций [1-4]. В силу недостаточной точности экспериментального определения соответствующих ОК новые определения невозможно было ввести, как только была осознана их необходимость.

Для нового определения килограмма были предложены разные варианты, которые рассматривались международными метрологическими организациями и были представлены на последних Генеральных конференциях мер и весов (ГКМВ). В действующей СИ моль определен с помощью килограмма, поэтому можно либо сохранить это определение, либо ввести новое определение моля.

Для оптимального выбора новых определений, а значит и набора констант, в качестве их основы, был предложен ряд критериев [11, 12]. Отметим, что влиянием пространственно-временных вариаций ФФК в силу имеющихся ограничений на их величину можно пренебречь. Основным критерием перехода на новые определения килограмма и моля с помощью набора h, е, k и NА  является достижение уровня 2x10-8 для относительной стандартной неопределенности ur значений постоянных Планка h и Авогадро NА и согласованности их значений, определяемых разными методами. Однако даже после выполнения этих условий вопрос о выборе конкретного варианта определения килограмма будет зависеть от решения ГКМВ в 2018 г. Для переопределения четырех единиц СИ кроме, так называемого, основного набора ОК из h, еNА и k рассматривались также другие наборы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Так, например, в работах [12, 13, 14] в качестве основы для новых определений четырех основных единиц СИ были предложены наборы: {mu, е, k, NА}, {mu, μ0, k, NА}, {h, μ0, k, NА}Сейчас в МКМВ переход к Новой (Модифицированной) СИ готовится с привлечением набора ОК из h, e, NА  и k [1, 2]. Для определения килограмма существует альтернативный вариант с заменой постоянной Планка на атомную единицу массы mu, который обладает определенными достоинствами [12]. При выборе нового определения единицы массы следует учитывать решение G1 Консультативного комитета по массе и связанным с ней величинам (ККМ), принятое в 2010 г. [15], в котором предложено смягчить ранее принятые рекомендации Международного комитета мер и весов (МКМВ) и 23-й ГКМВ для замены IPK [16, 17] следующим образом:

- как минимум три независимых эксперимента, включая эксперимент с ватт-весами и эксперимент Международного координационного проекта Авогадро (International Avogadro Coordination -IAC), должны дать значения соответствующих констант с ur не выше 5x10-8. По меньшей мере, один из этих результатов должен иметь ur не выше 2x10-8;

- для каждой из этих соответствующих констант согласие между значениями, полученными в различных экспериментах, должно быть на уровне достоверности 95%;

- должна быть подтверждена согласованность новых прототипов МКМВ с IPK. Приведенные ограничения являются

предельными в том смысле, что дальнейшее увеличение иг значений постоянных Планка и Авогадро приведет к нарушению сложившейся практики измерений массы с высокой точностью [18].
Эксперимент взвешивания: равновесие между силой тяжести и силой Ампера

2. Данные измерений постоянных Планка и Авогадро

В настоящее время результаты экспериментов по определению постоянных Планка и Авогадро удовлетворяют рекомендациям G1 ККМ 2010 г. Сошлемся, например, на результаты экспериментов по определению постоянной Планка с помощью ватт-весов и постоянной Авогадро с помощью кремниевых шаров. Значения методом ватт-весов были получены в NRC с относительной стандартной неопределенностью
ur=9,1x10-9 [19], в NIST - с ur=1,3х10-8 [20]. Значения NA методом кремниевых шаров были получены в IAC с ur=1,2х10-8 [21 ].
«Движущийся эксперимент»: напряжение, индуцируемое движущейся с постоянной скоростью в магнитном поле катушкой [22]


Напомним принцип измерения в экспериментах с ватт-весами. Эксперимент имеет две фазы: «силовую» и «скоростную» (рис. 1, 2). В «силовой» фазе (этап взвешивания) сила тяжести, действующая на массу m, уравновешивается силой Ампера, действующей на проводящую катушку с проводником длины L: I*L*B = mg, где I - сила тока в проводящей катушке, а  - величина индукции радиально направленного магнитного поля. В «скоростной» фазе эксперимента (этап определения скорости) ненагруженная катушка перемещается со скоростью V в вертикальном направлении. Эта «скоростная» фаза эксперимента описывается соотношением 

U = BLV, где U -ЭДС индукции.

Получаем известное соотношение IU = mgV, которое в силу I = U'/R, может быть записано как

mgV = U-U'/R =(U-U'/R) (Kj2RK) (1)

Здесь Kj = 2e/h - постоянная Джозефсона и RK = h/e2 - постоянная фон Клитцинга.

Напряжения и U' измеряются с помощью эталонов напряжения, основанных на эффекте Джозефсона:

U = f h /(2е ) = f/Kj;

U' = f h/(2e) f'/Kj,

где f и f' - частоты, a - с помощью омметра, основанного на квантовом эффекте Холла

R = h/ne2 = RK/n, где n - целое число.

В результате соотношение (1) запишется как

4*gv / (nf*f') = h/m . (2)

Каждая из величин в левой части соотношения (2) может быть измерена с относительной стандартной неопределённостью значительно меньше, чем 10-8.

Схематическое изображение ватт-весов в NRC

На рис. 3 представлено схематическое изображение ватт-весов в NRC (National Research Council, Канада). В эксперименте этой организации получено наиболее точное значение постоянной Планка с относительной стандартной неопределённостью 9,1x10-9 [19].

Страница 1 из 3 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » О метрологии » Иващук В.Д., Хрущев В.В., "О новых определениях килограмма и моля в международной системе единиц"