2018 kan 'n noodlottige jaar in metrologie genoem word, want dit is die tyd van 'n ware tegnologiese revolusie in die internasionale stelsel van eenhede van fisiese hoeveelhede SI. Dit gaan oor die hersiening van die definisies van die belangrikste fisiese hoeveelhede. Gaan 'n kilogram aartappels in die supermark nou op 'n nuwe manier weeg? C aartappels sal dieselfde wees. Iets anders sal verander.
Voor die SI-stelsel
Algemene standaarde in gewigte en mates was in antieke tye nodig. Maar die algemene reëls vir metings het veral nodig geword met die koms van wetenskaplike en tegnologiese vooruitgang. Wetenskaplikes moes in 'n algemene taal praat: een voet is hoeveel sentimeter? En wat is 'n sentimeter in Frankryk as dit nie dieselfde as Italiaans is nie?
Frankryk kan 'n ere-veteraan en wenner van historiese metrologiese veldslae genoem word. Dit was in Frankryk in 1791 dat die meetstelsel amptelik goedgekeur is en huleenhede, en die definisies van die belangrikste fisiese hoeveelhede is beskryf en onderskryf as staatsdokumente.
Die Franse was die eerstes wat verstaan het dat fisiese hoeveelhede aan natuurlike voorwerpe gekoppel moet word. Een meter is byvoorbeeld beskryf as 1/40 000 000 van die meridiaanlengte van noord na suid na die ewenaar. Hy was dus gebind aan die grootte van die Aarde.
Een gram is ook gekoppel aan natuurlike verskynsels: dit is gedefinieer as die massa water in 'n kubieke sentimeter by 'n temperatuurvlak naby aan nul (ys wat smelt).
Maar, soos dit geblyk het, is die Aarde glad nie 'n perfekte bal nie, en water in 'n kubus kan 'n verskeidenheid eienskappe hê as dit onsuiwerhede bevat. Daarom het die groottes van hierdie hoeveelhede in verskillende dele van die planeet effens van mekaar verskil.
In die vroeë 19de eeu het die Duitsers, onder leiding van wiskundige Karl Gauss, die besigheid betree. Hy het voorgestel om die sentimeter-gram-sekonde stelsel van maatreëls op te dateer, en sedertdien het metrieke eenhede die wêreld ingegaan, wetenskap en is deur die internasionale gemeenskap erken, 'n internasionale stelsel van eenhede van fisiese hoeveelhede is gevorm.
Daar is besluit om die lengte van die meridiaan en die massa van 'n kubus water te vervang met die standaarde wat in die Buro vir Gewigte en Mates in Parys gestoor is, met verspreiding van kopieë aan die lande wat aan die metrieke deelneem konvensie.
Kilogram het byvoorbeeld gelyk soos 'n silinder gemaak van 'n legering van platinum en iridium, wat op die ou end ook nie 'n ideale oplossing geword het nie.
Die internasionale stelsel van eenhede van fisiese hoeveelhede SI is in 1960 gevorm. Eers het dit ses ingesluitbasiese hoeveelhede: meter en lengte, kilogram en massa, tyd in sekondes, stroomsterkte in ampère, termodinamiese temperatuur in kelvin en ligintensiteit in candela. Tien jaar later is nog een by hulle gevoeg - die hoeveelheid van 'n stof, gemeet in mol.
Dit is belangrik om te weet dat alle ander meeteenhede van die fisiese hoeveelhede van die internasionale stelsel beskou word as afgeleides van die basiese, dit wil sê, hulle kan wiskundig bereken word deur die basiese hoeveelhede van die SI-stelsel te gebruik.
Weg van die standaarde
Fisiese standaarde het geblyk nie die mees betroubare meetstelsel te wees nie. Die kilogramstandaard self en sy kopieë per land word periodiek met mekaar vergelyk. Rekonsiliasies toon veranderinge in die massas van hierdie standaarde, wat om verskeie redes voorkom: stof tydens verifikasie, interaksie met die staanplek, of iets anders. Wetenskaplikes het hierdie onaangename nuanses al lank opgemerk. Die tyd het aangebreek om die parameters van die eenhede van fisiese hoeveelhede van die internasionale stelsel in metrologie te hersien.
Daarom het sommige definisies van hoeveelhede geleidelik verander: wetenskaplikes het probeer wegkom van fisiese standaarde, wat op een of ander manier hul parameters oor tyd verander het. Die beste manier is om hoeveelhede af te lei in terme van onveranderlike eienskappe, soos die spoed van lig of veranderinge in die struktuur van atome.
Op die vooraand van die rewolusie in die SI-stelsel
Belangrikste tegnologiese veranderinge in die internasionale stelsel van eenhede van fisiese hoeveelhede word uitgevoer deur die stemming van lede van die Internasionale Buro vir Gewigte en Mates by die jaarlikse konferensie. As dit goedgekeur word, sal die veranderinge na 'n paar in werking treemaande.
Dit alles is uiters belangrik vir wetenskaplikes wie se navorsing en eksperimente die grootste akkuraatheid in metings en formulerings vereis.
Die nuwe 2018-verwysingstandaarde sal help om die hoogste vlak van akkuraatheid in enige meting op enige plek, tyd en skaal te bereik. En dit alles sonder enige verlies aan akkuraatheid.
Herdefinieer hoeveelhede in die SI-stelsel
Dit handel oor vier van die sewe basiese fisiese hoeveelhede. Daar is besluit om die volgende hoeveelhede met eenhede te herdefinieer:
- kilogram (massa) deur die eenhede van die Planck-konstante in die uitdrukking te gebruik;
- ampere (stroom) met ladingmeting;
- kelvin (termodinamiese temperatuur) met eenheidsuitdrukking wat die Boltzmann-konstante gebruik;
- mol deur Avogadro se konstante (hoeveelheid stof).
Vir die oorblywende drie hoeveelhede sal die bewoording van die definisies verander word, maar die essensie daarvan sal onveranderd bly:
- meter (lengte);
- sekonde (tyd);
- candela (ligintensiteit).
Veranderinge met versterker
Wat is die ampere as 'n eenheid van fisiese hoeveelhede in die internasionale SI-stelsel vandag, is in 1946 voorgestel. Die definisie was gekoppel aan die sterkte van die stroom tussen twee geleiers in 'n vakuum op 'n afstand van een meter, wat al die nuanses van hierdie struktuur spesifiseer. Onakkuraatheid en omslagtige meting is die twee hoofkenmerke van hierdie definisie vanuit vandag se oogpunt.
In die nuwe definisie is 'n ampère 'n elektriese stroom gelyk aanvloei van 'n vaste aantal elektriese ladings per sekonde. Die eenheid word uitgedruk in elektronladings.
Om die bygewerkte ampère te bepaal, is slegs een gereedskap nodig - die sogenaamde enkel-elektronpomp, wat in staat is om elektrone te beweeg.
Nuwe mol en silikonsuiwerheid 99,9998%
Die ou definisie van 'n mol hou verband met die hoeveelheid materie gelyk aan die aantal atome in 'n koolstofisotoop met 'n massa van 0,012 kg.
In die nuwe weergawe is dit die hoeveelheid van 'n stof wat in 'n presies gedefinieerde aantal gespesifiseerde strukturele eenhede vervat is. Hierdie eenhede word uitgedruk deur die Avogadro-konstante te gebruik.
Daar is ook baie bekommernisse met Avogadro se nommer. Om dit te bereken, is besluit om 'n bol van silikon-28 te skep. Hierdie isotoop van silikon word gekenmerk deur sy presiese kristalrooster tot perfeksie. Daarom kan die aantal atome daarin akkuraat getel word deur 'n laserstelsel te gebruik wat die deursnee van 'n sfeer meet.
'n Mens kan natuurlik redeneer dat daar geen fundamentele verskil tussen 'n silikon-28-sfeer en die huidige platinum-iridium-legering is nie. Beide dit en ander stof verloor atome mettertyd. Verloor, reg. Maar silikon-28 verloor hulle teen 'n voorspelbare tempo, so aanpassings sal deurentyd aan die verwysing gemaak word.
Die suiwerste silikon-28 vir die sfeer is onlangs in die VSA verkry. Die suiwerheid daarvan is 99,9998%.
En nou Kelvin
Kelvin is een van die eenhede van fisiese hoeveelhede in die internasionale stelsel en word gebruik om die vlak van termodinamiese temperatuur te meet. "Op die ou manier" is dit gelyk aan 1/273, 16dele van die temperatuur van die driedubbele punt van water. Die driedubbele punt van water is 'n uiters interessante komponent. Dit is die vlak van temperatuur en druk waarteen water gelyktydig in drie toestande is – “stoom, ys en water.”
Die definisie van "mank op albei bene" om die volgende rede: die waarde van kelvin hang hoofsaaklik af van die samestelling van water met 'n teoreties bekende isotoopverhouding. Maar in die praktyk was dit onmoontlik om water met sulke eienskappe te verkry.
Die nuwe kelvin sal soos volg gedefinieer word: een kelvin is gelyk aan 'n verandering in termiese energie met 1.4 × 10−23j. Die eenhede word uitgedruk deur die Boltzmann-konstante te gebruik. Nou kan die temperatuurvlak gemeet word deur die spoed van klank in die gassfeer vas te stel.
Kilogram sonder standaard
Ons weet reeds dat daar in Parys 'n standaard van platinum met iridium is, wat op een of ander manier sy gewig verander het tydens die gebruik daarvan in metrologie en die stelsel van eenhede van fisiese hoeveelhede.
Die nuwe definisie van die kilogram is: Een kilogram word uitgedruk as Planck se konstante gedeel deur 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Meting van massa kan nou op die "watt"-skale gedoen word. Moenie dat die naam jou flous nie, dit is nie die gewone weegskaal nie, maar elektrisiteit, wat genoeg is om 'n voorwerp op te lig wat aan die ander kant van die skaal lê.
Veranderinge in die beginsels van die konstruksie van eenhede van fisiese hoeveelhede en hul sisteem in die geheel is nodig, eerstens, in die teoretiese velde van die wetenskap. Die belangrikste faktore in die opgedateerde stelselis nou natuurlike konstantes.
Dit is die logiese gevolgtrekking van baie jare se aktiwiteit van 'n internasionale groep ernstige wetenskaplikes wie se pogings vir 'n lang tyd daarop gemik was om ideale metings en definisies van eenhede te vind gebaseer op die wette van fundamentele fisika.
