Килограмм. Эталон единицы массы (килограмм)

💖 Нравится? Поделись с друзьями ссылкой

Килогра́мм (обозначение: кг, kg) - единица измерения массы, одна из основных единиц СИ [система единиц/измерений].

На данный момент килограмм - единственная единица СИ, которая определена при помощи предмета, изготовленного людьми. Все остальные единицы теперь определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов.

Эталон был изготовлен в 1889 г. и с тех пор хранится в Международном бюро мер и весов * (расположено в г. Севр близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39.17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Хранится он под тремя герметичными стеклянными колпаками. Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4°C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
Были изготовлены также точные официальные копии международного эталона, которые используются как национальные эталоны килограмма. Всего было создано более 80 копий. Копии международного эталона хранятся также и в Российской Федерации, во ВНИИ метрологии им. Менделеева . Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам за сто лет международный эталон теряет 3х10 −8 своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.

Для устранения этих неточностей в настоящее время рассматриваются различные варианты переопределения килограмма на основе фундаментальных физических законов.

Также с 2003 года международная группа исследователей из 8 стран, в том числе из Германии, Австралии, Италии и Японии, под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) ведет работы по переопределению килограмма как массы определённого числа атомов изотопа кремния-28. Второй проект, под названием «Электронный килограмм» начат в 2005 г. в (NIST). Руководитель данного проекта Ричард Стайнер утверждает, что над созданием «электронного килограмма» он работает более десяти лет. Учёные под руководством доктора Стайнера создали прибор, который измеряет мощность, необходимую для генерации электромагнитного поля, с помощью которого можно поднять один килограмм массы. С его помощью учёным удалось определить массу в один килограмм с точностью до 99,999995 %, пишут на Википедии .

Ученые приближаются к нефизическому описанию килограмма после открытия того, что металлический эталон, используемый в качестве международного стандарта начал по непонятным причинам терять вес.

Исследователи говорят, что им еще предстоит пройти определенный путь, прежде чем определение будет дано, но в случае успеха это привело бы к принятию нового международного стандарта, используемого для определения килограмма.

Ученые говорят, что именно описание килограмма столь важно, так как он является основной физической единицей весов, от которой все остальные уже вычисляются как производные. Сейчас эквивалент килограмма - это металлический брусок, весом около 2,2 британских фунтов [...] .

Однако в 2007 году было установлено, что эталон начал терять вес, в частности ученые определили, что килограммовый брусок стал весить на 50 микрограмм меньше, нескольких десятков точных копий. То есть, можно сказать, что эталон потерял вес, сопоставимый с весом песчинки. В связи с этим, физики предполагают, что брусок может и дальше терять свой вес.

Кроме того, ученые говорят, что другие основополагающие единицы, такие как ампер, вольт, моль, метр и другие не привязаны к каким-либо физическим ссылкам.

Ранее немецкие специалисты из Национального института метрологии в Брауншвейге сообщили, что будут использовать новую 10-сантиметровую кремниевую сферу в качестве эталона килограмма. По мнению ученых, новый эталон более точен и стабилен, нежели используемый сейчас.

Цель нового проекта заключается в создании более надежного эталона, точность которого измеряется на атомном уровне. Ученые говорят, что атомы кремния для этого проекта подходят идеально, так как они очень стабильны, а их соединения почти не разрушаются в стандартных условиях.

Примечательно, что частично новый кремниевый эталон килограмма был разработан в России. Также в проекте приняли участие ученые из Австралии и Японии. Всего на изготовление кремниевой сферы беспрецедентной точности было потрачено 2 миллиона евро, а процесс ее создания занял чуть меньше 5 лет.

По словам Петера Бекера, руководителя проекта, для создания килограммового эталона физики рассчитали сколько атомов кремния должно находиться в 1 килограмме этого элемента, после чего приступили к «сборке» эталона. Однако Бекер подчеркивает, что и новая сфера не является идеально точной, так как сегодняшняя наука не способна сложить макрообъект в буквальном смысле слова, собирая его по атомам, пишет ZN.UA по материалам CyberSecurity .

* Справка: Что такое Международное бюро мер и весов?

Учреждено в 1875 г., вместе с подписанием Метрической конвенции . Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции.

В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.

В разные годы бюро возглавляли известные европейские ученые: G. Govi (Италия, 1875-1877) , J. Pernet (Швейцария, 1877-1879) , O.-J. Broch (Норвегия, 1879-1889) , J.-R. Benoit (Франция, 1889-1915) , C.-E. Guillaume (Швейцария, 1915-1936) , A. Perard (Франция, 1936-1951) , C. Volet (Швейцария, 1951-1961) , J. Terrien (Франция, 1962-1977) , P. Giacomo (Франция, 1978-1988) , T. J. Quinn(Великобритания, 1988-2003) .

С 2004 года по настоящий момент директором МБМВ является профессор Эндрю Уоллард (A. J. Wallard ), Великобритания. Бюро финансируется странами-участницами Метрической конвенции.

Существует также Главная палата мер и весов , которая была учреждена в 1893 году в Санкт-Петербурге по инициативе Д. И. Менделеева, учёного-хранителя Депо образцовых мер и весов , которое и было преобразовано в Главную палату.

Главная палата мер и весов являлась центральным учреждением Министерства финансов, заведовавшим поверочной частью в Российской империи и подчиненным отделу торговли.

По Положению о мерах и весах 1899 задачей Палаты являлось «сохранение единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов»; по закону 1901 на нее было возложено заведование местными поверочными палатками, временными их отделениями, распределение по тем и другим состоявших при Палате поверителям, командирование их и др., а также решение различных вопросов по метрологии и ведение отчетности по поступлению в казну сборов за клеймение мер и весов. В самой Палате устройство поверочного дела было доведено до возможного научно-технического совершенства.

Сегодня ВНИИМ является одним из крупнейших мировых центров научной и практической метрологии, головной организацией страны по фундаментальным исследованиям в метрологии и главным центром государственных эталонов России. Подчинен Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии.

В июле 1994 года Постановлением Правительства РФ ВНИИМ присвоен статус Государственного научного центра РФ. Как Государственный научный центр РФ ВНИИМ подчинен Министерству образования и науки России и входит в Ассоциацию государственных научных центров, пишут на Википедии .

Эталон - это мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и передачи единиц какой-либо величины. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называется Государственным эталоном.

Краткая историческая справка

Человеку необходимо описывать окружающую его действительность, причем так, чтобы его понимали другие люди. Именно по этой причине все цивилизации создавали свои системы измерений.

Современная система измерений берет свое начало в XVIII во Франции . Именно тогда комиссия из известнейших ученых предложила свою десятичную метрическую систему мер. Первоначально в метрическую систему входили метр, квадратный метр, кубический метр и килограмм (масса 1 куб. дециметра воды при 4 °C), вместимости - литр, то есть 1 куб. дециметр, площадь земельных участков - ар (100 кв. метров) и тонна (1000 килограммов).

В 1875 году была подписана метрическая конвенция, целью которой было обеспечение международного единства метрической системы. На базе этой метрической системы возникали свои системы и единицы, которые плохо соотносились друг с другом, поэтому в 1960 была принята Международная система единиц SI (СИ). В СИ принято несколько основных единиц измерения: метр, килограмм, ампер, кельвин, кандела, моль, а также дополнительные единицы для измерения углов - радиан и стерадиан.

Эталон массы

Чтобы погрешность измерений была минимальной, ученые создают большие и сложные в эксплуатации комплексы. Тем не менее, эталон массы неизменен - это платиново-иридиевая гиря, изготовленная в 1889 году. Всего было изготовлено 42 эталона, два из которых отправились в Россию .

Эталон килограмма хранится в Санкт-Петербурге , во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева (именно он был инициатором принятия Россией французской метрической системы). Эталон стоит на кварцевой подставке, под двумя стеклянными колпаками (чтобы исключить попадание пыли), внутри стального сейфа. Эталонные весы, которые являются частью эталона, стоят на особом фундаменте. Эта конструкция весит 700 тонн и не связана со стенами здания, чтобы вибрации не искажали измерений.

Температура и влажность поддерживаются на неизменном уровне, а все операции ведутся с помощью манипуляторов, чтобы исключить влияние температуры тела и случайных частыц впроде пылы, при использовании человеческого труда. Погрешность эталона массы России не превышает 0,002 мг.

Сущность измерительной операции осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия, но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.

Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах.

Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.

Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма.

Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.

Килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, хранящегося в Международном бюро мер и весов и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Первоначально в качестве единицы массы химик Антуан Лавуазье и кристаллограф Рене Жюст Айи предложили в 1793 году французской Комиссии мер и весов использовать грамм - массу одного кубического сантиметра чистой воды при температуре плавления льда. Для удобства практического использования уже упоминавшийся Ленуар изготовил эталонную медную гирю массой в 1000 грамм. С 1795 года новую единицу массы стали называть килограммом. Через четыре года было принято предложение физика Луи Лефевра-Гиньо взвешивать воду при температуре ее максимальной плотности (4°С). Новый эталон килограмма был изготовлен из платины и помещен на хранение в Архив Республики. Были также сделаны несколько его копий для использования в качестве образцов при изготовлении гирь. Однако произведенные в XIX веке измерения показали, что масса 1 дм 3 воды на 0,028 г меньше массы архивного эталона. Чтобы не допустить в будущем никаких разночтений, Международная комиссия по эталонам метрической системы в 1872 году решила принять в качестве единицы массы массу прототипа - Архивного килограмма.

В 1880 году увидел свет международный эталон килограмма из сплава, состоящего из платины и иридия, тогда же были изготовлены и четыре из шести ныне существующих официальных копий этого эталона.

Все они сейчас хранятся под двумя герметичными стеклянными колпаками в сейфе, расположенном в подвале Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures - BIPM) в Севре неподалеку от Парижа. В 1889 году 1-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла определение килограмма как равного массе международного эталона. Это определение действительно и в наше время.К сведению - Международное бюро мер и весов, МБМВ (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIMP) - постоянно действующая международная организация со штаб-квартирой, расположенной в городе Севр (предместье Парижа, Франция). Учреждено в 1875г., вместе с подписанием Метрической конвенции. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции. В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

Копия международного эталона хранятся также и в Российской Федерации, во ВНИИ метрологии им. Менделеева. Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам, за сто лет международный эталон теряет 0,00000003-ую часть своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.

Килограмм - одна из семи основных величин международной системы единиц СИ. Остальные - метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела - не привязаны к конкретным материальным носителям. Платиново-иридиевый эталон метра был отменен в 1960 году. Единственный в настоящее время оставшийся «механический» эталон - это килограмм. Но даже масса главного международного эталона со временем меняется - к настоящему времени считается, что он «похудел» на 50 мкг за счет микропереноса вещества на поверхность подставки во время хранения, а также на поверхность захватов, которыми его перемещают при сверке с национальными эталонами.

Всё это может искажать результаты сверхточных научных расчетов, поэтому ученые задумываются о необходимости дать новое определение килограмму. В 1975 году доктор Брайан Киббл из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании предложил идею так называемых ватт-весов. Это устройство позволяет связать между собой единицы электрической и механической мощности. «Эта связь - основа метрологии, - объясняет «Популярной механике» ведущий научный сотрудник Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева Эдмунд Француз. - Весы состоят из двух катушек, взаимодействующих между собой при протекании электрического тока. В отличие от токовых весов, здесь используется дополнительная калибровка при движении катушки с известной скоростью в эталонном магнитном поле. За счет этого удается существенно уменьшить ошибку измерения силы взаимодействия, обусловленную геометрией катушки. Таким образом, можно выразить килограмм через электрические единицы, измеренные на основе квантовых эффектов, то есть через фундаментальные константы, - это позволит избавиться от «механического» эталона. Пока что работающие ватт-весы реализованы в США в NIST и в NPL, но на данный момент наименьшая погрешность их измерений составляет 3,6×10 –8 , что минимум в два раза хуже, чем необходимо для эталона».

Другой способ переопределить килограмм предложила группа ученых из Германии, Австралии, Италии и Японии под руководством исследователей из Физико-технического института Германии. Они намерены использовать «метод Авогадро», то есть определить килограмм как энное число атомов. «Основные трудности этого метода в том, что нужно построить идеальную кристаллическую решетку, - говорит Эдмунд Француз, - без единого дефекта, и притом из одного изотопа - кремния-28. Относительная погрешность этого метода пока еще слишком велика - 3,1×10 –7 . Кстати, было еще одно направление, которое разрабатывалось у нас во ВНИИМ и в Японии, - метод левитирующей сверхпроводниковой массы, который обеспечивал точность порядка 4×10 –6 . Но по различным причинам исследования не были завершены ни в одной из стран».

Так что килограмм пока остается последним чисто механическим эталоном.

К сведению - допустимая абсолютная погрешность широко распространенной гири массой 1 килограмм составляет 0,5 грамма.

По материалам сайтов:www.omedb.ru; www.russianamerica.com; wikipedia.org.

В 1872 г. решением Международной комиссии по эталонам метрической системы за единицу массы была принята масса прототипа килограмма, хранящегося в Национальном архиве Франции. Этот прототип представляет собой платиновую цилиндрическую гирю высотой и диаметром 39 мм. Прототипы килограмма для практического использования были изготовлены из платиноиридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платиноиридиевая гиря, наиболее близкая к массе платинового килограмма Архива. Следует отметить, что масса международного прототипа килограмма несколько отличается от массы кубического дециметра воды. В результате объем 1 литра воды и 1 кубического дециметра не равны друг другу (1л = 1,000028 дм 3). В 1964 г. XII Генеральная конференция по мерам и весам решила приравнять 1 л к 1 дм 3 .

Международный протопит килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по метрам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкого разграничения понятий массы и веса и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.

По решению I Конференции по мерам и весам из 42 изготовленных прототипов килограмма России были переданы платиноиридиевые прототипы килограмма № 12 и № 26. прототип килограмма № 12 был утвержден в 1899 г. в качестве государственного эталона массы факультативно (фунт должен был периодически сличаться с килограммом), а прототип № 26 использоваться в качестве вторичного эталона.

В состав эталона входят:

копия международного прототипа килограмма (№12), представляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма храниться в ВНИИМ им. Д. М. Менделеева (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе. Эталон храниться при поддержание температуры воздуха в пределах (20 ±3) ° С и относительной влажности 65%. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера килограмма. При сличении с международным эталоном килограмма отечественной платиноиридиевой гире приписано значение 1,0000000877 кг;

равноплечие призменные весы на 1 кг. № 1 с дистанционным управлением (с целью исключения влияния оператора на температуру окружающей среды), изготовленные фирмой «Рупрехт», и равноплечие современные призменные весы на 1 кг №2, изготовленные во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам.

Погрешность воспроизведения килограмма, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений 2 . 10 -9 . Удивительная долговечность эталона единицы массы в виде платиноиридиевой гире не связана с тем, что в свое время был найден наименее уязвимый способ воспроизведения килограмма. Отнюдь нет. Уже несколько десятилетий тому назад требования к точности измерений массы превзошли возможности их реализации с помощью действующий эталонов единицы массы. Длительное время продолжаются исследования по воспроизведению массы с помощью известных фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протон, электрон, нейтрон и др.). Однако реальная погрешность воспроизведения больших масс (например, килограмма), привязанных, в частности, к массе покоя нейтрона, пока что существенно больше, чем погрешность воспроизведения килограмма с помощью платиноиридиевой гире. Масса покоя единичной частицы - нейрона составляет 1,6949286 (10)х10 -27 кг и определяется со средним квадратическим отклонением 0,59 . 10 -6 .

Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Японии созданы специальные весы с применением лазерного луча для регистрации «раскачки» коромысла с эталонной и тарируемой гирями. Обработка результатов ведется с помощью ЭВМ. При этом погрешность воспроизведения килограмма удалось повысить примерно до 10 -10 (по СКО).один комплект подобных весов имеется в Метрологической службе Вооруженных Сил РФ.

Рассказать друзьям