Kilograme - școală de chimie
kilogram
| standard | Unitatea SI |
| Numele unității | kilogram |
| Simbolul unității | $ \ mathrm $ |
| Dimensiuni descrise | Dimensiuni |
| Simbol (uri) de dimensiune | $ m $ |
| Numele dimensiunii | Dimensiuni |
| Simbolul dimensiunii | $ \ mathsf $ |
| În unitățile CGS | 1 kg = 10 3 g |
| În unitățile Planck | 1 kg = 4,7 · 10 7 |
| Numit după | Greacă. χίλιοι, chilioi (Mie) și γράμμα, gramma (Scrisoare) |
| Vezi si: Ton (unitate) | |
kilogram este unitatea de bază de masă din Sistemul Internațional de Unități (SI). Masa sa este determinată de cea a Prototipul internațional al kilogramului (de asemenea Kilogramul original), un cilindru de platină-iridiu deținut de Biroul internațional pentru greutăți și măsuri. Simbolul unității pentru kilogram este kg.
Numele unității kilogramului diferă de sistemul Sistemului internațional de unități prin faptul că începe cu un prefix SI (kilogram); De aceea părțile zecimale și multiplii kilogramului nu pot fi formați din kilogram cu prefixe sau prefixe, în schimb sunt derivate din gram. [1] De la modernizarea definiției contorului în 1960, kilogramul este singura unitate de bază SI care este încă definită de un obiect comparativ (prototip).
Prototipurile și normele kilogramului
Din 1889 - în metrologie neutră - Prototip internațional de kilograme standardul de referință pentru unitatea de măsură în kilograme. Acesta este păstrat într-un seif la Biroul Internațional de Măsuri și Măsuri (BIPM) din Sèvres, lângă Paris. Este un cilindru de 39 milimetri înălțime și 39 milimetri în diametru, realizat dintr-un aliaj de 90% platină și 10% iridiu. Materialul este în mare măsură inert din punct de vedere chimic. Densitatea sa ridicată, precum alegerea geometriei, minimizează efectele efectelor de suprafață. Conținutul de iridiu duce la o duritate semnificativ mai mare (175HV) în comparație cu platina pură relativ moale, care îmbunătățește prelucrarea în timpul producției și, în special, reduce abraziunea în timpul manipulării.
În plus față de prototipul internațional de kilograme, Biroul internațional de greutăți și măsuri (BIPM) are alte standarde de referință și de lucru (→ Normale), care sunt copii ale prototipului internațional de kilograme și sunt conectate la acesta (conexiune = calibrare pe un standard mai înalt) Ordin). Standardele de referință sunt folosite pentru control (de exemplu, în derivă), în timp ce standardele de lucru sunt utilizate pentru conectarea prototipurilor naționale de kilogram, care sunt, de asemenea, copii ale prototipului internațional de kilogram. Toate exemplarele sunt denumite prototipuri de kilograme și sunt calibrate la ± 1 miligram. Conexiunea standardelor de referință și de lucru realizate cu comparatoare de masă are o incertitudine relativă de măsurare de 3 · 10 −9, prototipul național de kilogram de 5 · 10 −9. Până în 2003 fuseseră produse prototipuri de 84 de kilograme.
Comparațiile prototipului național cu kilogramul internațional al BIPM, așa-numitele reexaminări, au loc aproximativ la fiecare 50 de ani, anterior în 1939/46–1953 și cel mai recent în 1988-1992. Ca și în comparația cu standardele de referință, sa constatat că kilogramul original a devenit cu 50 micrograme mai ușor decât exemplarele în 100 de ani. [3] Cauza este necunoscută până acum. A fost exclusă posibilitatea ca materialul să fie îndepărtat din kilogramul inițial în timpul curățării. O altă explicație este că hidrogenul, de exemplu, a scăpat din aliajul de platină-iridiu. [4]
Originea și istoria
În 1889, cu rezoluția formală corespunzătoare a primei conferințe generale privind greutățile și măsurile, definiția kilogramului din masa kilograme définitif la cea a Prototipul internațional al kilogramului efectuat. Ca parte a inspecțiilor efectuate în 1939, sa dovedit că aceasta a însemnat o diferență semnificativă pe termen lung: Comparativ cu prototipul internațional de kilograme, cel realizat din burete de platină forjat a pierdut Kilograme de arhivă 430 micrograme din masa sa în 58 de ani. Dintre prototipurile de 40 de kilograme care au fost copiate, 29 au fost date inițial prin tombolă statelor convenției și altor părți interesate, în special societăților științifice, la preț de cost, unul a fost păstrat în plus față de KI ca o copie de referință cu prototipul internațional, iar două au fost atribuite BIPM ca copii de lucru. Stocul de rezervă a fost redus de către statele aderente, iar în 1925 numărul de copii de referință a crescut la patru.
Redefinirea planificată
În prezent se lucrează în întreaga lume pentru a redefini kilogramul în așa fel încât să poată fi derivat dintr-o constantă fundamentală în fizică. Datorită abaterii menționate mai sus, acest proiect a devenit deosebit de urgent. Pentru a obține o îmbunătățire față de situația actuală, trebuie dezvoltată o metodă pentru determinarea masei cu o precizie de ordinul a 10 −8. Un rezultat ar trebui obținut până în 2010 pentru a putea adopta o nouă definiție la următoarea conferință generală obișnuită pentru măsuri și ponderi în 2011. Două abordări au fost temporar abandonate în vederea termenului, încă două, proiectul Avogadro și soldul Watt, sunt încă urmărite serios. Inițial, proiectul Avogadro tocmai a ratat precizia necesară în 2010, dar realizarea sa este considerată sigură dacă proiectul este urmărit în continuare. Nu au fost cunoscute rezultate pentru soldul de wați până la sfârșitul lunii ianuarie 2011. La conferință s-a decis ca în viitor să obțină unitățile kilogram, ampere, kelvin și mol din constante fizice. În următoarea conferință generală din 2014 se așteaptă o decizie cu privire la procedura exactă și la momentul implementării acesteia. [8] [9]
Proiectul Avogadro
Determinarea constantei Avogadro $ N_A $ din masa $ m $ și volumul $ V $ al unui corp format dintr-un material cu densitate de particule cunoscută $ n $ și masa molară $ M $:
Dacă cel mai mare factor de incertitudine în acesta este fiabilitatea kilogramului, atunci inversul ar fi posibil: un kilogram ar putea fi definit mai precis decât înainte, definindu-l ca masa unui anumit număr de atomi ai unui anumit amestec de izotopi.
O determinare suficient de precisă a densității particulelor $ n $ este posibilă numai folosind un interferometru cu raze X și necesită un material monocristalin. Datorită cerințelor pentru acuratețea parametrilor materialului, doar siliciu-28 chimic ultra-pur, izotopic pur este în prezent în discuție. În cazul siliciului natural, care este un amestec de trei izotopi, determinarea relativ slabă a masei molare medii limitează precizia generală. Determinarea exactă a volumului necesită producerea unei bile foarte precise din material. În plus, trebuie luate în considerare densitatea locului vacant, concentrațiile de impuritate, grosimea și compoziția stratului de dioxid de siliciu de pe suprafață și altele.
Volumul $ V $, inclusiv abaterile de la forma sferică, a fost măsurat cu interferometre de diferite geometrii ale fasciculului la NMIJ și NMI-A, precum și la PTB, unde a fost utilizat un interferometru sferic nou dezvoltat pe baza unui interferometru Fizeau cu incertitudini sub un nanometru. [13]
Grosimea și compoziția stratului de suprafață, care constă în esență din dioxid de siliciu, au fost investigate folosind radiații electronice, cu raze X și sincrotron pentru a determina densitatea totală. Printre altele, s-a determinat un nivel neașteptat de ridicat de contaminare metalică a suprafețelor sferice cu silicuri de cupru și nichel în timpul procesului de lustruire și a fost estimată influența sa asupra rezultatelor volumului și masei sferei, ceea ce a dus, de asemenea, la o incertitudine de măsurare mai mare decât se aștepta. Cea mai mare parte a reducerii incertitudinii generale de măsurare relativă a fost realizată prin dezvoltarea unei noi metode spectrometrice de masă pentru determinarea masei molare medii $ M $ de siliciu. [14]
În 2010, constanta Avogadro a crescut cu o incertitudine totală de măsurare de 3 · 10 −8 n/A = 6,02214078 (18) · 10 23 mol −1 nou determinat. [15] Această precizie depășește cea obținută până acum, dar incertitudinea este încă de 1,5 ori mai mare decât 2 · 10 −8 cerute de Comitetul consultativ privind masa pentru o nouă definiție a kilogramului. Cu toate acestea, este de așteptat ca, cu îmbunătățiri suplimentare în interferometria cu bile și procesul de măcinare, care au dus la contaminarea metalică a stratului de suprafață, precizia necesară poate fi atinsă în viitorul apropiat. [16]
Echilibru de wați
Determinați masa unui specimen de testare cu un echilibru de wați. [17] În primul rând, se măsoară curentul dintr-o bobină, care este necesar pentru a menține un specimen plutitor. În al doilea rând, se măsoară tensiunea care induce mișcarea constantă a bobinei în acest câmp magnetic. Cele două rezultate ale măsurătorilor sunt înmulțite, ceea ce duce în mod oficial la energie electrică cu unitatea de wați. În plus, trebuie cunoscute viteza bobinei în mișcare și accelerația gravitațională la locul scării. Această procedură ca bază pentru o redefinire a kilogramului ar determina în același timp valoarea cuantumului de acțiune $ h $.
Lucrul la procedura balanței de wați include Consiliul Național de Cercetare din Canada (care a preluat activitatea de la Laboratorul Național de Fizică Britanic [18]), Institutul Național de Standarde și Tehnologie al SUA și Oficiul Federal Elvețian pentru Metrologie.
Acumularea de ioni
Generarea unei mase dificile cu ajutorul unui fascicul de ioni (atomi încărcați electric) și colectarea ionilor. Măsurând curentul electric al fasciculului de ioni și timpul, masa unui atom poate fi apoi calculată în kilograme. Physikalisch-Technische Bundesanstalt efectuase experimente cu aur din 1991, a trecut la bismut în 2004 și a întrerupt experimentele în 2008, deoarece s-a dovedit imposibil să se obțină rezultate competitive cu această metodă până la luarea deciziei privind redefinirea. [19]
Experiment de levitație magnetică
Un magnet este făcut să plutească într-un câmp magnetic neomogen. Masa sa poate fi calculată din poziția magnetului în acest câmp. Această abordare a fost inițial urmată de Laboratorul Național Japonez de Cercetare în Metrologie de la acea vreme, dar de atunci a fost abandonată din cauza lipsei de acuratețe realizabilă. Japonia este, de asemenea, implicată în proiectul Avogadro.
literatură
Richard Davis: Unitatea de masă SI. În: Metrologia 40 (2003), nr. 6 (număr special: masă), pp. 299-305 - doi: 10.1088/0026-1394/40/6/001