Változások az SI alapegységek meghatározásában (2019)

2019-ben változások léptek életbe a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) alapmértékegységeinek meghatározásában , ami abból állt, hogy az SI alapegységeit az alapvető fizikai állandók rögzített értékein keresztül kezdték meghatározni . Ugyanakkor az összes mértékegység értéke változatlan maradt, azonban az anyagi szabványokhoz való kötődés végül eltűnt definícióikból. Ilyen változtatásokat már régóta javasoltak, de ez csak a 21. század elejére vált lehetségessé. A változtatásokról a végső döntést a 2018. évi XXVI. Súly- és Mértékkonferencia hozta meg.

A változtatások tartalma

A Nemzetközi Mértékegységrendszer , SI, 7 alapvető mértékegységet tartalmaz:  másodperc , méter , kilogramm , amper , kelvin , mol , kandela , valamint számos származtatott mértékegységet [1] .

A változtatások előtt a kilogrammot egy meghatározott szabvány tömegeként határozták meg - a kilogramm nemzetközi prototípusaként. Ennek a meghatározásnak vannak hátrányai. Más alapegységeket nem kötöttek konkrét műtárgyakhoz, de egyes meghatározások is kényelmetlennek bizonyultak (sőt, maguk is a kilogramm definícióira hagyatkoztak) [2] .

A változtatások a teljes SI-re vonatkoznak. Közvetlenül befolyásolják a kilogramm, az amper, a kelvin és a mol definícióit: most ezeket az egységeket az elemi elektromos töltés rögzített értékei és Planck , Boltzmann és Avogadro állandói határozzák meg [3] .

Megfigyelhető az SI folytonossága: a változások következtében az összes mértékegység értéke nem változott; így a mérési eredmények régi mértékegységben kifejezett számértéke sem változott (kivéve néhány elektromos mennyiséget, amelyekről az alábbiakban lesz szó). Néhány, korábban pontosan meghatározott mennyiség azonban kísérletileg meghatározott lett [4] .

Az SI új meghatározása

A Nemzetközi Mértékegységrendszer, az SI, olyan mértékegységrendszer, amelyben [5] :

• a cézium-133 atom Δ ν Cs alapállapotának hiperfinom felhasadásának gyakorisága pontosan 9 192 631 770 Hz ;
• a fény sebessége c vákuumban pontosan 299 792 458 m/s ;
• A Planck -állandó ℎ pontosan egyenlő 6,626 070 15⋅10 −34 kg m 2 s −1 ;
• az elemi elektromos töltés e pontosan egyenlő 1,602 176 634⋅10 −19  A s;
• a k Boltzmann-állandó pontosan 1,380 649⋅10 −23 J/K;
• Az Avogadro-állandó N A pontosan 6,022 140 76⋅10 23 mol −1 ;
• az 540⋅10 12  Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzás K cd fényhatásfoka pontosan 683 lm/W.

Lehetőség van ennek a definíciónak az alapegységek definícióinak halmazának formáját adni [1] . Ezt a definíciókészletet az Alapvető SI-egységek § Alapvető mértékegységei című cikk tartalmazza .

A változtatások hatása az alapegységekre

Második és méter

A szekund és a méter definíciói tartalmilag nem változtak, azonban újrafogalmazták azokat, hogy megfeleljenek a definíciók stilisztikai egységének [3] .

Kilogramm

A kilogramm értékét a Planck-állandó ℎ számértékének rögzítésével kell rögzíteni kg m 2 s −1 egységekben (figyelembe véve a másodperc és a méter megállapított értékét) [3] [7] .

Korábban a kilogrammot a kilogramm nemzetközi prototípusának tömegeként határozták meg. A kilogramm nemzetközi prototípusának idejére visszanyúló összes kilogramm-szabvány tömegének változása következtében további 10 μg hiba keletkezett, mivel magának a prototípusnak a tömege most pontosan ezzel a hibával 1 kg [8] . Bár a kilogramm nemzetközi prototípusa már nem szolgál a kilogramm SI-mértékegységként való etalonjaként, továbbra is a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda őrzi, lehetőleg védve a külső hatásoktól [9] .

Amper

Az amper értékét úgy állítjuk be, hogy az e elemi elektromos töltés számértékét A⋅s egységekben rögzítjük. Ezenkívül törölték a voltok és ohmok megvalósítására korábban ajánlott Josephson-állandó K J-90 és von Klitzing-állandó R K-90 [3] rögzített értékeit .

A feszültségek és ellenállások mért értékei és skálái a 10 -7 , illetve 10 -8 nagyságrend töredékével változtak , ez azonban nem az alapegységek definícióiban bekövetkezett változásnak köszönhető, hanem a tény, hogy a Josephson-állandók és von Klitzing korábban rögzített értékei, amelyek nincsenek összhangban az SI többi részével [10] .

Kelvin

A kelvin értékét úgy állítjuk be, hogy a k Boltzmann -állandó számértékét rögzítjük kg m 2 ·s −2 ·K −1 egységekben . Ugyanakkor a definiáló állandókon keresztül a kelvint ℎ Δ ν Cs / k -ként fejezzük ki egy bizonyos dimenzió nélküli tényezővel, azaz értéke valójában nincs összefüggésben a fénysebességgel és a méter méretével, annak ellenére, hogy tény, hogy a k alapegységekkel kifejezett mértékegysége magában foglalja a mérőt [3] [6] [7] .

Vakond

A mól értékét az Avogadro-állandó N A [3] számértékének rögzítésével állítjuk be .

Candela

A kandela definíciója lényegében nem változott, kivéve azt a tényt, hogy más egységekhez kötődik, és ezek definíciói is megváltoztak [3] [7] .

Háttér, előkészítés és elfogadás

A Nemzetközi Mértékegységrendszert, az SI-t 1960-ban fogadták el, és a következő években a Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) kiegészítette és kiigazította. Az SI több mint 50 éve őrzi a kilogramm 1889 óta érvényben lévő definícióját: 1 kilogramm a kilogramm M IPK nemzetközi prototípusának tömege (sőt a XIX. században a kilogrammot is meghatározták anyagszabványon keresztül). Ez nehézségeket okozott: mind a prototípus, mind a másolatai tömege idővel változik a szennyezés és a kopás miatt; csak a prototípushoz viszonyított másolatok esetében lehetséges egyértelműen meghatározni a változás irányát; ugyanakkor a prototípus tömegében bekövetkezett változások minimalizálása érdekében a másolatokkal való összehasonlítását rendkívül ritkán hajtották végre, és az összehasonlítások közötti intervallumokban a másolatok tömegének változása miatt felhalmozódtak a hibák - és mivel nem volt más lehetőség a kilogramm reprodukálásához minden kilogramm-szabvány használója (országos mérésügyi szervezet) ezekkel a hibákkal kapta meg a kilogrammértéket. Sokáig és rendszeresen hangzottak el azok a javaslatok, amelyek a kilogramm definíciójának valamilyen természetes állandó értékének rögzítésével történő megváltoztatására irányultak, de csak a 21. század elejére vált elegendősé a kísérletek pontossága. ennek az ötletnek a megvalósításához [11] .

A tudomány és technológia különböző területein működő metrológiai szakemberek közösségei is támogatták a változtatások gondolatát. A feszültség és ellenállás mértékegységeinek gyakorlati megvalósítása nem az amper meghatározására, hanem a Josephson és von Klitzing állandók rögzített értékeire támaszkodott ; ezeknek a rögzített értékeknek az elhagyása az e és ℎ rögzítése mellett az elektromosság és a mágnesesség mértékegységei összhangban állnak az SI többi részével. A hőmérséklet mértékegységét a víz hármaspontjának T TPW hőmérsékletének rögzítésével határoztuk meg , azonban ez a hőmérséklet függ a víz izotópos összetételétől és a benne lévő szennyeződésektől, ráadásul ez a meghatározás nagyon alacsony és nagyon magas hőmérsékleten is rosszul alkalmazható. - a kelvin újradefiniálása k rögzítésével megoldotta ezeket a problémákat. Végül, mivel az anyagmennyiség fogalma nincs összefüggésben a részecskék tömegével, egyúttal javasolták a mól definíciójának megváltoztatását, leválasztva azt a szénatom tömegétől - 12 m ( 12 C). és N A [12] fix értékhez kötve .

Meg lehet szabadulni attól is, hogy az egységrendszer egy adott atomban egy meghatározott elektronátmenethez kötődjön, ami a másodperc definíciójában jelenik meg, és helyette egy másik alapvető állandót rögzítenek - például a gravitációs állandót , ahogyan ez történik. például a Planck mértékegységrendszerében . A gravitációs állandó mért értékének bizonytalansága azonban túl nagy ehhez [13] .

Az elfogadott módosítások a 2006-os javaslatból származnak [4] . A reform alapelveit és a reformhoz szükséges fizikai állandók értékeinek mérési pontosságára vonatkozó követelményeket a 2011-es és 2014-es Általános Súly- és Mértékkonferencián fogadták el [14] .

A 2014-es változtatások előkészítése során rendkívüli összehasonlítás történt a kilogramm nemzetközi prototípusának tömegével a másolatokkal. A világ különböző tudományos csoportjai alapvető állandók mérését végezték annak érdekében, hogy a hibát a kívánt szintre csökkentsék. A CODATA Alapállandók Munkacsoportja ezeket az adatokat a 2017-es állandó értékkészlet rendkívüli kiadásában gyűjtötte össze, és ezek alapján választották ki az új SI fix értékeit [15] .

Az SI és a fizikai állandók fajlagos értékeinek változásáról végül 2018. november 16-án született döntés, amikor a XXVI. Általános Súly- és Mértékkonferencia résztvevői egyhangúlag megszavazták azokat [14] . Az új SI-definíciók 2019. május 20-án, a metrológia napján léptek hatályba [16] .

Az új SI-ben minden egyes alapegységhez meg vannak határozva az egységek gyakorlati megvalósításának ajánlott módszerei. Tehát egy kilogrammra vonatkoztatva ezek a Kibble mérlegek és a kristálysűrűség (XRCD) röntgenanalízise [17] .

A frissített SI további változtatásokat tesz lehetővé. Különösen az elektromágneses hullámok frekvenciájának mérése és az atomórák tervezése terén elért haladás arra enged következtetni, hogy körülbelül egy évtizeden belül a másodikat valamilyen más elektronikus átmenet frekvenciája újradefiniálja [18] .

Hátrányok

Mivel az atomtömeg mértékegységét továbbra is a 12-es szénatom tömegével határozzák meg, ez már nem egyenlő 1 gramm osztva Avogadro számával. Egyes szerzők bírálják az új SI-t, rámutatva, hogy az atomtömeg mértékegységének rögzítése a Planck-állandó helyett megoldaná ezt a problémát, és azok az érvek, amelyek a 2000-es években a Planck-állandó kiválasztásához vezettek, a 2010-es évekre már nem voltak érvényesek [19]. .

Az elektromos állandó és a mágneses állandó SI-ben a változások előtt pontos értéket mutatott: m/ H és H/m. A reform után ezeket az egyenlőségeket nem teljesen pontosan, hanem egészen kilenc jelentős számjegyig kezdték megfigyelni, ugyanazt a relatív hibát kapva, mint a finomszerkezeti állandó . Ebből különösen az következik, hogy az SI-mértékegységek és a CGS -rendszer különböző változatai közötti átváltási együtthatók megszűntek egzakt, rögzített értékek lenni, mivel mágneses állandóban vannak kifejezve. Ez elkerülhető lett volna, ha nem az elemi töltést fixáljuk , hanem a mágneses állandó korábbi értékét, vagy ami ekvivalens a fix és a Planck-töltéssel . Ezt a lehetőséget azonban elvetették, mivel az elektromossággal és mágnesességgel kapcsolatos mennyiségi szabványok korábbi megvalósítása Josephson és von Klitzing fix állandókon alapult, ami egyenértékű a Planck-állandó és az elemi töltés rögzítésével, így az áttérés a az elemi töltés rögzítésekor az új rendszer könnyebbnek bizonyult [20] .

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 SI brosúra, 2019 , p. 18-23, 130-135.
2. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 3-4.
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 SI Brosúra, 2019 , p. 92-94, 197-199.
4. ↑ 1 2 Stock et al, 2019 , p. 2.
5. ↑ SI brosúra, 2019 , p. 15-16., 127-128.
6. ↑ 1 2 3 Richard S. Davis. Hogyan határozzuk meg a felülvizsgált SI mértékegységeit hét állandóból, rögzített számértékekkel // A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet kutatási folyóirata. - 2018. - Kt. 123. - P. 123021. - doi : 10.6028/jres.123.021 .
7. ↑ 1 2 3 4 Richard Davis. Bevezetés a felülvizsgált nemzetközi mértékegységrendszerbe (SI) // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2019. - 1. évf. 22. sz. 3. - P. 4-8. - doi : 10.1109/MIM.2019.8716268 .
8. ↑ Megjegyzés a kilogramm újradefiniálásának a BIPM tömegkalibrációs bizonytalanságára gyakorolt ​​hatásáról . BIPM . Letöltve: 2019. június 9. Az eredetiből archiválva : 2019. május 27. (határozatlan)
9. ↑ Gyakran ismételt kérdések az SI 2019. május 20-án hatályba lépett felülvizsgálatával kapcsolatban . BIPM . Letöltve: 2021. október 12. Az eredetiből archiválva : 2021. október 12. (határozatlan)
10. ↑ CCEM iránymutatások a „felülvizsgált SI” végrehajtásához . BIPM . Letöltve: 2019. június 9. Az eredetiből archiválva : 2018. október 5.. (határozatlan)
11. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 1-2.
12. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 2-3.
13. ↑ C. Rothleitner és S. Schlamminger. Meghívott áttekintő cikk: Measurements of the Newton-constans of gravitation, G // Review of Scientific Instruments. - 2017. - Kt. 88. - P. 111101. - doi : 10.1063/1.4994619 .
14. ↑ 1 2 A 26. CGPM (2018) 1. határozata . BIPM . Letöltve: 2021. október 12. Az eredetiből archiválva : 2021. augusztus 26.. (határozatlan)
15. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 3-10.
16. ↑ A Nemzetközi Mértékegységrendszer – alapvetően jobb méréseket végez . BIPM . Letöltve: 2021. október 12. Az eredetiből archiválva : 2021. július 4.. (határozatlan)
17. ↑ Néhány fontos egység definíciójának gyakorlati megvalósítása . BIPM . Letöltve: 2019. június 10. Az eredetiből archiválva : 2020. április 09. (határozatlan)
18. ↑ Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias és Lennart Robertsson. Az ajánlott gyakorisági szabványértékek CIPM listája: irányelvek és eljárások // Metrologia. - 2018. - Kt. 55. - P. 188. - doi : 10.1088/1681-7575/aaa302 .
19. ↑ Bronnikov K. A., Ivashchuk V. D., Kalinin M. I., Melnikov V. N., Hruschev V. V. Az SI-egységek új definícióinak rögzített alapvető állandóinak megválasztásáról // Izmeritelnaya Tekhnika. - 2016. - 8. szám - S. 11-15.
20. ↑ Ronald B. Goldfarb. A vákuum permeabilitása és a felülvizsgált nemzetközi mértékegységrendszer // IEEE Magnetics Letters. — Vol. 8. - doi : 10.1109/LMAG.2017.2777782 .

Irodalom

• Le Système international d'unités (SI) / The International System of Units (SI)  : [ fr. , angolul ]. - 9. kiadás - BIPM, 2019. - ISBN 978-92-822-2272-0 .