Physical artifact that formerly defined the kilogram
«ИПК» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. IPK (значения) .
Международный прототип килограмма, хранящийся в хранилище в Париже, был заменен в 2019 году формулой, использующей константу Планка , поскольку масса IPK нестабильна с течением времени.
Международный прототип килограмма (называемый метрологами IPK Le или Grand K ; иногда называемый ur -килограммом , [1] [2] или уркилограмма , [3] особенно немецкоязычными авторами, пишущими на английском языке [3] [4] : 30 [5] : 64 ) — объект, масса которого использовалась для определения килограмма с 1889 года, когда он заменил Архивный килограмм , [6] до 2019 года, когда его заменило новое определение килограмма, полностью основанное на физических константах . [7] За это время ИПК и его дубликаты использовались для калибровки всех других эталонов килограммовой массы на Земле.
IPK и шесть его родственных копий хранятся в Международном бюро мер и весов (известном по французским инициалам BIPM) в экологически контролируемом сейфе в нижнем хранилище, расположенном в подвале павильона де Бретей BIPM в Сен-Клу. [Примечание 1] на окраине Парижа (фотографии см. Внешние изображения ниже). Для открытия хранилища необходимы три независимо управляемых ключа. Официальные копии IPK были предоставлены другим странам в качестве их национальных стандартов. Их сравнивали с IPK примерно каждые 40 лет, тем самым обеспечивая прослеживаемость местных измерений до IPK. [12]
Метрическая конвенция была подписана 20 мая 1875 года и еще больше формализовала метрическую систему (предшественницу СИ ), что быстро привело к производству IPK. IPK — один из трех баллонов, изготовленных в Лондоне в 1879 году компанией Johnson Matthey , которая продолжала производить почти все национальные прототипы по мере необходимости, пока в 2019 году не вступило в силу новое определение килограмма. [13] [14] В 1883 году было обнаружено, что масса IPK неотличима от массы Архивного килограмма , созданного восемьдесят четыре года назад, и была официально ратифицирована как килограмм 1-м ГКМВ в 1889 году. [8]
Национальный прототип килограмма К20, один из двух прототипов, хранящихся в Национальном институте стандартов и технологий США в Гейтерсбурге, штат Мэриленд , которые служат первичными эталонами для определения всех единиц массы и веса в Соединенных Штатах. Это копия для всеобщего обозрения, показанная в том виде, в каком она обычно хранится, под двумя колпаками.
ИПК и его различные экземпляры имеют в литературе следующие обозначения:
Сам IPK хранится в хранилище BIPM в Сен-Клу , Франция.
Шесть сестринских копий: К1, 7, 8(41), [Заметка 2] 32, 43 и 47. [15] Хранится в том же хранилище МБМВ.
Десять рабочих копий: восемь (9, 31, 42′, 63, 77, 88, 91 и 650). [Заметка 3] ) для повседневного использования и два (25 и 73) для специального использования. [16] Хранится в калибровочной лаборатории МБМВ в Сен-Клу, Франция.
Некоторые дополнительные экземпляры принадлежат ненациональным организациям, таким как Французская академия наук в Париже (34) и Институт метрологии Г. Колоннетти в Турине (62). [17]
До 2019 года погрешность измерения массы ИПК по определению была ровно равна нулю; масса ИПК составляла килограмм. Однако любые изменения в массе IPK с течением времени можно определить, сравнив его массу с массой его официальных копий, хранящихся по всему миру, - редко предпринимаемый процесс, называемый «периодической проверкой». Всего три проверки произошли в 1889, 1948 и 1989 годах. Например, в США имеются пять килограммовых стандартов содержания 90% платины и 10% иридия (Pt-10Ir), два из которых, K4 и K20, взяты из исходной партии из 40 штук. реплики распространены в 1884 году. [Примечание 4] Прототип К20 был признан основным национальным эталоном массы США. Оба они, а также документы других стран периодически возвращаются в МБМВ для проверки. При транспортировке прототипов соблюдается большая осторожность. В 1984 году прототипы К4 и К20 переносились вручную в пассажирском отсеке отдельных коммерческих авиалайнеров.
Обратите внимание, что ни одна из реплик не имеет массы, точно равной массе ИПК; их массы калибруются и документируются как значения смещения. Например, K20, основной стандарт США, первоначально имел официальную массу 1 кг – 39 мкг (микрограмм) в 1889 году; то есть K20 был на 39 мкг меньше, чем IPK. Проверка, проведенная в 1948 году, показала массу 1 кг – 19 мкг . Последняя проверка, проведенная в 1989 году, показывает, что масса точно идентична первоначальному значению 1889 года. В отличие от таких временных вариаций, как этот, американский проверочный стандарт К4 постоянно теряет массу по сравнению с IPK - и по понятной причине: проверочные стандарты используются гораздо чаще, чем первичные стандарты, и склонны к царапинам и другому износу. Первоначально K4 поставлялся с официальной массой 1 кг – 75 мкг в 1889 году, но с 1989 года он был официально откалиброван на уровне 1 кг – 106 мкг , а десять лет спустя - 1 кг – 116 мкг. За период 110 лет К4 потерял 41 мкг относительно ИПК. [26]
Массовый дрейф с течением времени национальных прототипов K21–K40 , а также двух родственных копий IPK: K32 и K8(41). [Заметка 2] Все массовые изменения относятся к ИПК. Начальные смещения начального значения 1889 года относительно IPK были обнулены. [17] Все вышеперечисленные измерения являются относительными ; нет исторических данных измерения массы, позволяющих определить, какой из прототипов был наиболее стабильным по отношению к инварианту природы. Существует явная вероятность того, что все прототипы набрали массу за 100 лет, а К21, К35, К40 и ИПК просто набрали меньше , чем другие.
Помимо простого износа, который может возникнуть при проверке стандартов, масса даже тщательно хранящихся национальных прототипов может смещаться относительно IPK по множеству причин, некоторые из которых известны, а некоторые неизвестны. Поскольку ИПК и его копии хранятся на воздухе (хотя и под двумя или более вложенными друг в друга колпаками ), они набирают массу за счет адсорбции атмосферных загрязнений на свои поверхности. Соответственно, они очищаются с помощью процесса, разработанного BIPM между 1939 и 1946 годами, известного как «метод очистки BIPM». [27] который включает в себя прочное натирание замшей, смоченной в равных частях эфира и этанола , с последующей очисткой паром бидистиллированной водой и выдержкой прототипов в течение 7–10 дней перед проверкой. До публикации отчета BIPM в 1994 году с подробным описанием относительного изменения массы прототипов разные организации по стандартизации использовали разные методы для очистки своих прототипов. До этого в NIST два прототипа замачивали и промывали сначала в бензоле , затем в этаноле, а затем очищали их струей бидистиллированного водяного пара. Очистка прототипов удаляет от 5 до 60 мкг загрязнений, в основном в зависимости от времени, прошедшего с момента последней очистки. Кроме того, вторая очистка может удалить еще до 10 мкг. После очистки — даже когда они хранятся под колпаками — ИПК и его копии сразу же снова начинают набирать массу. МБМВ даже разработал модель этого прироста и пришел к выводу, что он составлял в среднем 1,11 мкг в месяц в течение первых 3 месяцев после очистки, а затем снизился в среднем примерно до 1. мкг в год в дальнейшем. Поскольку контрольные эталоны, такие как K4, не очищаются при плановой калибровке других эталонов массы (мера предосторожности, позволяющая свести к минимуму вероятность износа и повреждений при обращении), модель BIPM зависящего от времени прироста массы использовалась в качестве поправочного коэффициента «после очистки».
Поскольку первые сорок официальных экземпляров изготовлены из того же сплава, что и ИПК, и хранятся в аналогичных условиях, периодическая проверка с использованием ряда реплик, особенно национальных первичных эталонов, которые используются редко, может убедительно продемонстрировать стабильность ИПК. После третьей периодической проверки, проведенной в период с 1988 по 1992 год, стало ясно, что массы всего мирового ансамбля прототипов медленно, но неумолимо расходятся друг от друга. Также очевидно, что ИПК потерял около 50 мкг массы за последнее столетие, а возможно, и значительно больше, по сравнению со своими официальными копиями. [17] [28] Причина этого дрейфа ускользнула от физиков, посвятивших свою карьеру единице массы СИ. Не предложено никакого правдоподобного механизма, объясняющего ни устойчивое снижение массы ИПК, ни увеличение массы его реплик, рассеянных по всему миру. [Примечание 5] [29] [30] [31] Более того, не существует технических средств, позволяющих определить, страдает ли весь мировой ансамбль прототипов от еще более серьезных долгосрочных тенденций вверх или вниз, поскольку их масса «по отношению к инварианту природы неизвестна на уровне ниже 1000 мкг в течение некоторого времени». период в 100 или даже 50 лет». [28] Учитывая отсутствие данных, определяющих, какой из килограммовых прототипов в мире был наиболее стабильным в абсолютном выражении, в равной степени справедливо утверждать, что первая партия реплик, как группа, набрала в среднем около 25 мкг за сто лет. по сравнению с ИПК. [Примечание 6]
Что конкретно известно об ИПК, так это то, что он проявляет кратковременную нестабильность около 30 мкг в течение периода около месяца в своей послеочищенной массе. [32] Точная причина этой кратковременной нестабильности не выяснена, но считается, что она влечет за собой поверхностные эффекты: микроскопические различия между полированными поверхностями прототипов, возможно, усугубляемые поглощением водорода из-за катализа летучих органических соединений , которые медленно осаждаются и на прототипах. в качестве растворителей на основе углеводородов , используемых для их очистки. [31] [33]
Удалось исключить многие объяснения наблюдаемых различий в массах мировых прототипов, предложенные учеными и широкой общественностью. Например, в часто задаваемых вопросах BIPM объясняется, что расхождение зависит от количества времени, прошедшего между измерениями, а не от количества раз чистки прототипа или его копий или возможных изменений гравитации или окружающей среды. [34] Отчеты, опубликованные в 2013 году Питером Кампсоном из Университета Ньюкасла, основанные на рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии образцов, которые хранились вместе с различными килограммами прототипов, позволяют предположить, что одним из источников расхождений между различными прототипами может быть ртуть , которая была поглощена прототипами. находиться рядом с ртутными приборами. IPK хранился на расстоянии нескольких сантиметров от ртутного термометра, по крайней мере, еще с конца 1980-х годов. [35] В этой работе Университета Ньюкасла было обнаружено, что все шесть платиновых гирь, изготовленных в девятнадцатом веке, содержат ртуть на поверхности, наиболее загрязненная из которых содержала эквивалент 250 мкг ртути в пересчете на площадь поверхности килограммового прототипа.
Растущая разница в массах мировых прототипов и кратковременная нестабильность ИПК побудили к исследованию улучшенных методов получения гладкой поверхности с помощью алмазного точения на вновь изготовленных копиях и стали одной из причин переопределения килограмма. [36]
До мая 2019 года величина многих единиц, составляющих систему измерения СИ, в том числе большинства тех, которые используются для измерения электричества и света, сильно зависела от стабильности IPK.
Стабильность IPK имела решающее значение, поскольку килограмм лежал в основе большей части системы СИ в том виде, в каком она была определена и структурирована до 2019 года. Большинство единиц СИ со специальными названиями являются производными единицами , то есть они определяются просто умножением или делением или, в одном случае, смещением относительно других. более простые единицы. Например, ньютон определяется как сила, необходимая для ускорения одного килограмма на один метр в секунду в квадрате . Если бы масса ИПК немного изменилась, то пропорционально изменился бы и ньютон. В свою очередь, паскаль , единица давления в системе СИ , определяется в ньютонах. Эта цепочка зависимостей соответствует многим другим единицам измерения СИ. Например, джоуль , единица энергии в системе СИ , определяется как энергия, затрачиваемая на действие силы в один ньютон на протяжении одного метра . Следующей будет затронута единица мощности , в системе СИ — ватт который равен одному джоулю в секунду.
Кроме того, до пересмотра базовая единица в электрического тока системе СИ , ампер (А), определялась как ток, необходимый для создания силы 0,2 мкН между двумя параллельными проводами на расстоянии 1 м друг от друга на каждый метр длины. Подстановка этих параметров в закон силы Ампера дает:
2 к А А 2 /м = 0,2 мкН/м
или
А 2 = мкН / 10 кА ,
сделав величину ампера пропорциональной квадратному корню из ньютона и, следовательно, массы ИПК.
Основная единица количества вещества , моль , до пересмотра определялась как число атомов в 12 граммах углерода 12 , а базовая единица силы света , кандела , определялась как единица света. 1/683 частотой Вт на стерадиан зеленого света 540 ТГц . Следовательно, величины моля и канделы были пропорциональны массе ИПК.
Производные единицы СИ, значения которых не были подвержены изменениям массы ИПК, представляли собой либо безразмерные величины , полностью полученные из секунды , метра или кельвина , либо определялись как отношение двух величин, обе из которых были связаны в аналогично массе ИПК, например:
Ом = В/А = В/А / А = В / А 2 = Н м/с / мкН/10 к А = м/с / 10 −6 /10 к А = 10 7 к А м/с
Здесь ньютоны в числителе и знаменателе точно сокращаются при вычислении значения Ома. Сходным образом:
F = С/В = А с / В/А = А 2 с 2 / Дж = мкН·с 2 / 10 к А Н м = 10 −7 с 2 / к А м
Поскольку до 2019 года величина многих единиц, составляющих систему измерения СИ, определялась их массой, качество IPK тщательно защищалось, чтобы сохранить целостность системы СИ. Однако средняя масса мирового ансамбля прототипов и масса ИПК, вероятно, разошлись еще на 8,2 мкг со времени третьей периодической проверки 35 лет назад. [Примечание 7] Кроме того, национальные метрологические лаборатории мира должны дождаться четвертой периодической проверки, чтобы подтвердить, сохранились ли исторические тенденции.
К счастью, определения единиц СИ сильно отличаются от их практической реализации . Например, метр определяется как расстояние , которое свет проходит в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды. метра Однако практическая реализация обычно принимает форму гелий-неонового лазера, а длина метра определяется - определена - как 1 579 800,298 не 728 длин волн света от этого лазера. Теперь предположим, что официальное измерение секунды отклонилось на несколько частей на миллиард (на самом деле оно чрезвычайно стабильно с воспроизводимостью в несколько частей на 10). 15 ). [37] Автоматического воздействия на счетчик не будет, потому что секунда – и, следовательно, длина метра – абстрагируется через лазер, содержащий практическую реализацию метра. Ученые, выполняющие калибровку счетчиков, просто будут продолжать измерять то же количество длин волн лазера, пока не будет достигнуто соглашение поступить иначе.
То же самое верно и в отношении реальной зависимости от килограмма: если бы было обнаружено, что масса ИПК немного изменилась, это не оказало бы автоматического влияния на другие единицы измерения, поскольку их практическая реализация обеспечивает изолирующий слой. абстракция. Однако любое несоответствие в конечном итоге придется устранить, поскольку достоинством системы СИ является ее точная математическая и логическая гармония между ее единицами. Если бы было окончательно доказано, что значение IPK изменилось, одним из решений было бы просто переопределить килограмм как равный массе IPK плюс значение смещения, аналогично тому, что ранее делалось с его копиями; например, «килограмм равен массе ИПК + 42 части на миллиард » (эквивалент 42 мкг).
Однако долгосрочное решение этой проблемы состояло в том, чтобы освободить систему СИ от ее зависимости от IPK путем разработки практической реализации килограмма, которую можно было бы воспроизвести в различных лабораториях, следуя письменной спецификации. Единицы измерения в такой практической реализации будут иметь точно определенные величины и выражаться только в терминах физических констант . Хотя основные части системы СИ по-прежнему основаны на килограмме, килограмм теперь, в свою очередь, основан на инвариантных, универсальных константах природы.
^ Килограмм [Kilogram]. Great Soviet Encyclopedia (in Russian) . Retrieved 22 June 2020 . Из 40 изготовленных копий прототипа две (№12 и №26) были переданы России. Эталон №12 принят в СССР в качестве государственного первичного эталона единицы массы, а №26 — в качестве эталона-копии.
^ Перейти обратно: а б Гипотеза о том, почему IPK дрейфует , Р. Штайнер, NIST, 11 сентября 2007 г.
^ Отчет CGPM, 14-е заседание Консультативного комитета по единицам (CCU), апрель 2001 г., 2. (ii); Генеральная конференция по мерам и весам, 22-е заседание, октябрь 2003 г. , в которой говорилось: «Килограмм нуждается в новом определении, поскольку известно, что масса прототипа варьируется на несколько частей в 10 8 в течение периода времени порядка месяца...» ( ZIP-файл размером 3,2 МБ, здесь ).
^ Ссылки на общий раздел: Повторная калибровка национального прототипа килограмма США , Р.С. Дэвис , Журнал исследований Национального бюро стандартов, 90 (4): 263-281, июль – август 1985 г. ( 5,5 МБ PDF, здесь ); и «Килограмм и измерения массы и силы» , З. Дж. Джаббур и др. , Журнал исследований Национального института стандартов и технологий 106 , 2001, 25–46 ( 3,5 МБ PDF, здесь )
^ "Время" . Научная деятельность МБМВ . МБМВ. Архивировано из оригинала 14 мая 2011 года . Проверено 7 мая 2011 г.
^ Почтовый адрес Павильона (и, следовательно, BIPM) находится в соседней коммуне Севр , поэтому часто сообщается, что он расположен там, но территория находится в коммуне Сен-Клу ( OpenStreetMap ).
^ Перейти обратно: а б На прототипе № 8(41) случайно был проштампован номер 41, но на его аксессуарах указан правильный номер 8. Поскольку прототипа с маркировкой 8 не существует, этот прототип обозначается как 8(41).
^ №№ 42 ', 77 и 650 называются «стандартами», а не «прототипами», потому что они немного имеют меньший вес, а при их изготовлении было удалено немного слишком много материала. За исключением того, что их масса более чем на 1 мг ниже номинальной массы в 1 кг, они идентичны прототипам и используются во время рутинных калибровочных работ.
^ Два других стандарта Pt-10Ir, принадлежащие США, - это K79 из новой серии прототипов (K64–K80) , которые подвергались алмазной обработке непосредственно до конечной массы, и K85, который используется для экспериментов с балансировкой Киббла .
^ Обратите внимание: если бы разница в 50 мкг между IPK и его копиями была полностью вызвана износом, IPK должен был бы потерять на 150 миллионов миллиардов атомов платины и иридия больше за последнее столетие, чем его копии. что будет такой большой износ, а тем более разница Считается маловероятным, такой величины; 50 мкг — это примерно масса отпечатка пальца. Специалисты МБМВ в 1946 году тщательно провели эксперименты по очистке и пришли к выводу, что даже энергичное протирание замшей — если делать это осторожно — не меняет массу прототипов. Более поздние эксперименты по очистке в BIPM, которые были проведены на одном конкретном прототипе (K63) и в которых использовались новые на тот момент весы NBS-2, продемонстрировали стабильность 2 мкг. Эксперименты на прототипах № 7 и 32, проведенные в январе 2014 года, показали потерю менее 0,5 мкг массы за третий полный цикл очистки и стирки. [16] Было выдвинуто множество теорий, объясняющих разницу в массах прототипов. Одна теория утверждает, что относительное изменение массы между IPK и его копиями вовсе не является потерей, а просто состоит в том, что IPK получил меньше , чем копии. Эта теория начинается с наблюдения, что IPK уникально хранится под тремя вложенными друг в друга колпаками, тогда как шесть его родственных копий, хранящихся рядом с ним в хранилище, а также другие копии, разбросанные по всему миру, хранятся только под двумя. Эта теория также основана на двух других фактах: платина имеет сильное сродство к ртути и что атмосферная ртуть сегодня значительно более распространена в атмосфере, чем во времена производства ИПК и его копий. Сжигание угля является основным источником выбросов ртути в атмосферу, и как Дания, так и Германия имеют высокую долю угля в производстве электроэнергии. И наоборот, производство электроэнергии во Франции, где хранится ИПК, в основном атомное. Эта теория подтверждается тем фактом, что скорость массового расхождения (по отношению к IPK) датского прототипа K48 с тех пор, как он вступил во владение в 1949 году, особенно высока и составляет 78 мкг в столетие, в то время как у немецкого прототипа она была еще выше. 126 мкг/столетие с тех пор, как он завладел K55 в 1954 году. Однако другие данные для других реплик не подтверждают эту теорию. Эта теория поглощения ртути — лишь одна из многих, выдвинутых специалистами для объяснения относительного изменения массы. На сегодняшний день каждая теория либо оказалась неправдоподобной, либо недостаточно данных или технических средств, чтобы доказать или опровергнуть ее.
^ Среднее изменение массы первой партии реплик относительно ИПК за сто лет составляет +23,5 мкг со стандартным отклонением 30 мкг. Согласно Третьей периодической проверке национальных прототипов килограмма (1988–1992 гг.) , Ж. Жирар, Metrologia 31 (1994), стр. 323, табл. 3. Данные приведены для опытных образцов К1, К5, К6, К7, К8(41), К12, К16, К18, К20, К21, К24, К32, К34, К35, К36, К37, К38, К40; и исключает K2, K23 и K39, которые рассматриваются как выбросы. Это больший набор данных, чем показано на диаграмме в верхней части этого раздела, что соответствует рисунку 7 статьи Жирара.
^ Предполагая, что прошлая тенденция сохраняется, при этом среднее изменение массы первой партии реплик относительно ИПК за сто лет составило +23,5 σ 30 мкг.
NIST: именно эти весы Rueprecht Balance , прецизионные весы австрийского производства, использовались NIST с 1945 по 1960 год.
BIPM: весы с гибкой полоской FB‑2 , современные прецизионные весы BIPM со стандартным отклонением в одну десятимиллиардную килограмма (0,1 мкг).
BIPM: весы Mettler HK1000 с разрешением 1 мкг и максимальной массой 4 кг. Также используется NIST и лабораторией первичных стандартов Sandia National Laboratories.
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 004079C108B8AB9734FD55747831C0E3__1712403360 URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/International_prototype_of_the_kilogram Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: International Prototype of the Kilogram - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
МБМВ: ИПК в трех вложенных колпаках