2018 puede llamarse un año fatídico en metrología, porque este es el momento de una verdadera revolución tecnológica en el sistema internacional de unidades de cantidades físicas SI. Se trata de revisar las definiciones de las principales magnitudes físicas. ¿Pesará ahora de una nueva forma un kilogramo de patatas en el supermercado? Las papas C serán iguales. Algo más cambiará.
Antes del sistema SI
En la antigüedad se necesitaban estándares comunes de pesos y medidas. Pero las reglas generales para las medidas se hicieron especialmente necesarias con la llegada del progreso científico y tecnológico. Los científicos necesitaban hablar en un idioma común: ¿un pie es cuántos centímetros? ¿Y qué es un centímetro en Francia si no es lo mismo que en italiano?
Francia puede ser llamada veterana honoraria y ganadora de históricas batallas metrológicas. Fue en Francia en 1791 donde se aprobó oficialmente el sistema de medición y suunidades, y las definiciones de las principales cantidades físicas fueron descritas y aprobadas como documentos estatales.
Los franceses fueron los primeros en entender que las cantidades físicas deben estar ligadas a los objetos naturales. Por ejemplo, un metro se ha descrito como 1/40.000.000 de la longitud del meridiano de norte a sur hacia el ecuador. Estaba atado, por lo tanto, al tamaño de la Tierra.
Un gramo también se ha relacionado con fenómenos naturales: se definió como la masa de agua en un centímetro cúbico a un nivel de temperatura cercano a cero (derretimiento del hielo).
Pero resultó que la Tierra no es una bola perfecta en absoluto, y el agua en un cubo puede tener una variedad de propiedades si contiene impurezas. Por lo tanto, los tamaños de estas cantidades en diferentes partes del planeta difieren ligeramente entre sí.
A principios del siglo XIX, los alemanes, encabezados por el matemático Karl Gauss, entraron en el negocio. Propuso actualizar el sistema de medidas centímetro-gramo-segundo, y desde entonces las unidades métricas han ido al mundo, la ciencia y han sido reconocidas por la comunidad internacional, se ha formado un sistema internacional de unidades de cantidades físicas.
Se decidió reemplazar la longitud del meridiano y la masa de un cubo de agua con los patrones que estaban almacenados en la Oficina de Pesos y Medidas en París, con distribución de copias a los países participantes en la métrica convención.
Kilogram, por ejemplo, parecía un cilindro hecho de una aleación de platino e iridio, que al final tampoco se convirtió en una solución ideal.
El sistema internacional de unidades de cantidades físicas SI se formó en 1960. Al principio incluía seismagnitudes básicas: metros y longitud, kilogramos y masa, tiempo en segundos, intensidad de corriente en amperios, temperatura termodinámica en kelvins e intensidad luminosa en candelas. Diez años más tarde, se les agregó uno más: la cantidad de una sustancia, medida en moles.
Es importante saber que todas las demás unidades de medida de las magnitudes físicas del sistema internacional se consideran derivadas de las básicas, es decir, se pueden calcular matemáticamente utilizando las magnitudes básicas del sistema SI.
Lejos de los estándares
Los estándares físicos resultaron no ser el sistema de medición más confiable. El estándar de kilogramos en sí y sus copias por país se comparan periódicamente entre sí. Las conciliaciones muestran cambios en las masas de estos estándares, que ocurren por varias razones: polvo durante la verificación, interacción con el stand u otra cosa. Los científicos han notado estos matices desagradables durante mucho tiempo. Ha llegado el momento de revisar los parámetros de las unidades de magnitudes físicas del sistema internacional en metrología.
Por lo tanto, algunas definiciones de cantidades cambiaron gradualmente: los científicos intentaron alejarse de los estándares físicos, que de una forma u otra cambiaron sus parámetros con el tiempo. La mejor manera es derivar cantidades en términos de propiedades inmutables, como la velocidad de la luz o los cambios en la estructura de los átomos.
En vísperas de la revolución en el sistema SI
Los principales cambios tecnológicos en el sistema internacional de unidades de cantidades físicas se llevan a cabo mediante la votación de los miembros de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en la conferencia anual. Si se aprueba, los cambios entrarán en vigor después de unosmeses.
Todo esto es extremadamente importante para los científicos cuyas investigaciones y experimentos requieren la máxima precisión en las mediciones y formulaciones.
Los nuevos estándares de referencia de 2018 ayudarán a lograr el más alto nivel de precisión en cualquier medición en cualquier lugar, tiempo y escala. Y todo esto sin ninguna pérdida de precisión.
Redefiniendo cantidades en el sistema SI
Concierne a cuatro de las siete magnitudes físicas básicas operativas. Se decidió redefinir las siguientes cantidades con unidades:
- kilogramo (masa) utilizando las unidades de la constante de Planck en la expresión;
- amperio (corriente) con medición de carga;
- kelvin (temperatura termodinámica) con expresión unitaria utilizando la constante de Boltzmann;
- mol a través de la constante de Avogadro (cantidad de sustancia).
Para las tres cantidades restantes, se cambiará la redacción de las definiciones, pero su esencia permanecerá sin cambios:
- metro (longitud);
- segundo (tiempo);
- candela (intensidad de la luz).
Cambios con amplificador
¿Qué es el amperio como unidad de cantidades físicas en el sistema internacional SI hoy en día? Fue propuesto en 1946. La definición estaba ligada a la fuerza de la corriente entre dos conductores en el vacío a una distancia de un metro, especificando todos los matices de esta estructura. La inexactitud y la incomodidad de la medición son las dos características principales de esta definición desde el punto de vista actual.
En la nueva definición, un amperio es una corriente eléctrica igual aflujo de un número fijo de cargas eléctricas por segundo. La unidad se expresa en cargas de electrones.
Para determinar el amperaje actualizado, solo se necesita una herramienta: la llamada bomba de un solo electrón, que puede mover electrones.
Nuevo topo y pureza de silicio 99,9998 %
La antigua definición de mol está relacionada con la cantidad de materia igual al número de átomos en un isótopo de carbono con una masa de 0,012 kg.
En la nueva versión, esta es la cantidad de una sustancia que está contenida en un número definido con precisión de unidades estructurales especificadas. Estas unidades se expresan mediante la constante de Avogadro.
También hay muchas preocupaciones con el número de Avogadro. Para calcularlo, se decidió crear una esfera de silicio-28. Este isótopo de silicio se distingue por su red cristalina precisa a la perfección. Por lo tanto, el número de átomos que contiene se puede contar con precisión utilizando un sistema láser que mide el diámetro de una esfera.
Uno podría, por supuesto, argumentar que no existe una diferencia fundamental entre una esfera de silicio-28 y la aleación actual de platino e iridio. Tanto esa como otra sustancia pierden átomos con el tiempo. Pierde, cierto. Pero el silicio-28 los está perdiendo a un ritmo predecible, por lo que se realizarán ajustes a la referencia todo el tiempo.
El silicio-28 más puro para la esfera se obtuvo recientemente en EE. UU. Su pureza es 99.9998%.
Y ahora Kelvin
Kelvin es una de las unidades de cantidades físicas en el sistema internacional y se utiliza para medir el nivel de temperatura termodinámica. "A la antigua" es igual a 1/273, 16partes de la temperatura del punto triple del agua. El punto triple del agua es un componente sumamente interesante. Este es el nivel de temperatura y presión en el que el agua se encuentra en tres estados a la vez: "vapor, hielo y agua".
La definición de "cojeaba de ambas piernas" por la siguiente razón: el valor de kelvin depende principalmente de la composición del agua con una proporción isotópica teóricamente conocida. Pero en la práctica era imposible obtener agua de tales características.
El nuevo kelvin se definirá de la siguiente manera: un kelvin es igual a un cambio en la energía térmica de 1,4 × 10−23j. Las unidades se expresan mediante la constante de Boltzmann. Ahora el nivel de temperatura se puede medir fijando la velocidad del sonido en la esfera de gas.
Kilogramo sin patrón
Ya sabemos que en París existe un patrón de platino con iridio, que de alguna manera cambió su peso durante su uso en metrología y el sistema de unidades de cantidades físicas.
La nueva definición del kilogramo es: Un kilogramo se expresa como la constante de Planck dividida por 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Ahora se puede medir la masa en las escalas de "vatios". No se deje engañar por el nombre, no se trata de las balanzas habituales, sino de electricidad, que es suficiente para levantar un objeto que se encuentra al otro lado de la balanza.
Se necesitan cambios en los principios de construcción de unidades de cantidades físicas y su sistema como un todo, en primer lugar, en los campos teóricos de la ciencia. Los principales factores en el sistema actualizado.ahora son constantes naturales.
Esta es la conclusión lógica de muchos años de actividad de un grupo internacional de científicos serios cuyos esfuerzos durante mucho tiempo estuvieron dirigidos a encontrar medidas ideales y definiciones de unidades basadas en las leyes de la física fundamental.
