Килограми - химическо училище
килограм
| стандартен | SI единица |
| Име на единица | килограм |
| Символ за единица | $ \ mathrm $ |
| Описани размери | Размери |
| Символ (и) за размер | $ m $ |
| Име на измерение | Размери |
| Символ за измерение | $ \ mathsf $ |
| В CGS единици | 1 kg = 10 3 g |
| В единици Planck | 1 кг = 4,7 · 10 7 |
| Кръстен на | Гръцки. χίλιοι, chilioi (Хиляда) и γράμμα, граматика (Писмо) |
| Вижте също: Тон (единица) | |
The килограм е основната единица за маса в Международната система от единици (SI). Неговата маса се определя от тази на Международен прототип на килограма (също Оригинален килограм), платинено-иридиев цилиндър, съхраняван от Международното бюро за теглилки и мерки. Символът за единица за килограм е kg.
Името на единицата за килограм се различава от системата на Международната система от единици по това, че започва с префикс SI (килограм); Следователно десетични части и кратни на килограма не могат да се образуват от килограма с префикси или префикси, вместо това те са получени от грам. [1] От модернизацията на дефиницията на измервателния уред през 1960 г., килограмът е единствената базова единица SI, която все още се определя от сравнителен обект (прототип).
Килограмовите прототипи и нормали
От 1889 г. - в катедрата по метрология - Международен килограм прототип еталонният стандарт за мерната единица килограми. Съхранява се в сейф в Международното бюро за теглилки и мерки (BIPM) в Севр близо до Париж. Това е цилиндър с височина 39 милиметра и диаметър 39 милиметра, изработен от сплав от 90% платина и 10% иридий. Материалът е до голяма степен химически инертен. Неговата висока плътност, подобно на избора на геометрия, минимизира ефектите от повърхностните ефекти. Съдържанието на иридий води до значително по-висока твърдост (175HV) в сравнение с относително меката чиста платина, което подобрява обработваемостта по време на производството и по-специално намалява абразията по време на манипулация.
В допълнение към Международния прототип на килограм, Международното бюро за теглилки и мерки (BIPM) има и други референтни и работни стандарти (→ Нормално), които са копия на Международния прототип на килограми и са свързани с него (връзка = калибриране на по-висок стандарт Поръчка). Референтните стандарти се използват за контрол (например дрейф), докато работните стандарти се използват за свързване на националните прототипи за килограми, които също са копия на международния прототип за килограм. Всички копия се наричат килограмови прототипи и са калибрирани до ± 1 милиграм. Връзката на референтните и работните стандарти, направени с компаратори за маса, има относителна несигурност на измерване 3 · 10 −9, националният прототип на килограм 5 · 10 −9. До 2003 г. са произведени 84-килограмови прототипи.
Сравненията на националния с международния килограмов прототип на BIPM, т. Нар. Повторни прегледи, се извършват приблизително на всеки 50 години, преди това през 1939/46–1953 и най-наскоро през 1988–1992. Както при сравнението с референтните стандарти, беше установено, че оригиналният килограм е станал с 50 микрограма по-лек за 100 години в сравнение с копията. [3] Причината засега е неизвестна. Изключена е възможността материалът да бъде отстранен от първоначалния килограм по време на почистване. Друго обяснение е, че водородът например е излязъл от платинено-иридиевата сплав. [4]
Произход и история
През 1889 г. със съответната официална резолюция на 1-ва Генерална конференция за теглилки и мерки дефиницията на килограма от масата на килограми дефинитив към тази на Международен прототип на килограма завършен. Като част от проверките, извършени през 1939 г., се оказа, че това означава значителна разлика в дългосрочен план: В сравнение с международния прототип от килограм, този, направен от кована платинена гъба, е загубен Килограми от архива 430 микрограма от неговата маса за 58 години. От 40-килограмовите прототипи, които бяха копирани, 29 първоначално бяха дадени чрез томбола на държави от Конвенцията и други заинтересовани страни, особено научни общества, на себестойност, един беше съхранен до KI като референтно копие с международния прототип, а два бяха назначени на BIPM като работни копия. Резервният запас е намален от присъединяващите се държави и през 1925 г. броят на референтните копия е увеличен на четири.
Планирано предефиниране
В момента се работи по целия свят за предефиниране на килограма по такъв начин, че да може да се извлече от фундаментална константа във физиката. Поради споменатото по-горе отклонение, този проект стана особено спешен. За да се постигне подобрение спрямо текущата ситуация, трябва да се разработи метод за определяне на масата с точност от порядъка на 10 -8. До 2010 г. трябва да се постигне резултат, за да може да се приеме нова дефиниция на следващата редовна генерална конференция за мерки и тегла през 2011 г. Два подхода са временно изоставени с оглед на крайния срок, още два, проектът Avogadro и балансът Watt, все още се провеждат сериозно. Проектът Avogadro първоначално е изпуснал необходимата точност през 2010 г., но постигането му се счита за сигурно, ако проектът бъде продължен. Не са известни резултати за баланса на вата до края на януари 2011 г. На конференцията беше решено мерните единици килограм, ампер, келвин и мол да бъдат получени от физически константи. Решение за точната процедура и сроковете за нейното изпълнение се очаква на следващата генерална конференция през 2014 г. [8] [9]
Проект Avogadro
Определяне на константата на Авогадро $ N_A $ от масата $ m $ и обема $ V $ на тяло, състоящо се от материал с известна плътност на частиците $ n $ и моларна маса $ M $:
Ако най-големият фактор на несигурност в това е надеждността на килограма, тогава би било възможно обратното: един килограм може да бъде дефиниран по-точно от преди, като се дефинира като маса на определен брой атоми на определена изотопна смес.
Достатъчно точно определяне на плътността на частиците $ n $ е възможно само с помощта на рентгенов лазерен интерферометър и изисква монокристален материал. Поради изискванията за точността на параметрите на материала, понастоящем е под въпрос само химически ултра чист, изотопно чист силиций-28. В случай на естествен силиций, който е смес от три изотопа, относително лошата определяемост на средната моларна маса ограничава общата точност. Точното определяне на обема изисква производството на високо прецизна топка от материала. Освен това трябва да се вземат предвид плътността на свободните работни места, концентрацията на примеси, дебелината и състава на слоя силициев диоксид на повърхността и други.
Обемът $ V $, включително отклоненията от сферичната форма, беше измерен с интерферометри с различна геометрия на лъча при NMIJ и NMI-A, както и при PTB, където беше използван новоразработен сферичен интерферометър, базиран на интерферометър на Fizeau с несигурности под един нанометър. [13]
Дебелината и съставът на повърхностния слой, който по същество се състои от силициев диоксид, бяха изследвани с помощта на електронно, рентгеново и синхротронно лъчение за определяне на общата плътност. Наред с други неща, беше определено неочаквано високо ниво на метално замърсяване на сферичните повърхности с медни и никелови силициди по време на процеса на полиране и беше оценено влиянието му върху резултатите от обема и масата на сферата, което също доведе до по-висока несигурност на измерването от очакваното. По-голямата част от намаляването на относителната обща несигурност на измерването е постигнато чрез разработването на нов масспектрометричен метод за определяне на средната моларна маса $ M $ на силиций. [14]
През 2010 г. константата на Avogadro се увеличи с обща несигурност на измерване 3 · 10 −8 Неприложимо = 6.02214078 (18) · 10 23 mol − 1 новоопределено. [15] Тази точност надвишава постигнатата досега, но несигурността все още е 1,5 пъти по-висока от 2,10 −8, изисквана от Консултативния комитет по маса за ново определение на килограма. Очаква се обаче, че с по-нататъшни подобрения в сферичната интерферометрия и процеса на смилане, които са довели до замърсяване на метала на повърхностния слой, необходимата точност може да бъде постигната в обозримо бъдеще. [16]
Ватов баланс
Определете масата на изпитвания образец с вата. [17] На първо място се измерва токът в намотка, който е необходим, за да се запази образецът да плава. Второ, измерва се напрежението, което предизвиква постоянно движение на бобината в това магнитно поле. Двата резултата от измерването се умножават, което официално води до електрическа мощност с единица ват. Освен това трябва да бъдат известни скоростта на движещата се намотка и гравитационното ускорение в местоположението на везните. Тази процедура, като основа за предефиниране на килограма, също би определила стойността на кванта на действие $ h $.
Работата по процедурата за балансиране на вата включва Националния изследователски съвет на Канада (който е поел работата от Британската национална физическа лаборатория [18]), Националния институт за стандарти и технологии на САЩ и Швейцарската федерална служба за метрология.
Натрупване на йони
Генериране на претегляема маса с помощта на йонен лъч (електрически заредени атоми) и събиране на йоните. След измерване на електрическия ток на йонния лъч и времето, масата на атома може да бъде изчислена в килограми. Physikalisch-Technische Bundesanstalt извършва експерименти със злато от 1991 г., преминава на бисмут през 2004 г. и прекратява експериментите през 2008 г., тъй като се оказва невъзможно да се получат конкурентни резултати с този метод, докато не бъде взето решението за предефинирането. [19]
Експеримент с магнитна левитация
Магнитът е направен да плава в нехомогенно магнитно поле. Неговата маса може да се изчисли от позицията на магнита в това поле. Този подход първоначално е следван от тогавашната японска национална изследователска лаборатория по метрология, но оттогава е изоставен поради липсата на постижима точност. Япония също участва в проекта Avogadro.
литература
Ричард Дейвис: Единицата за маса SI. В: Metrologia 40 (2003), № 6 (специален брой: маса), стр. 299-305 - doi: 10.1088/0026-1394/40/6/001