Kilogramm - kémiaiskola
kilogramm
| alapértelmezett | SI egység |
| Egység neve | kilogramm |
| Egység szimbólum | $ \ mathrm $ |
| Leírt méret (ek) | Méretek |
| Méret szimbólum (ok) | $ m $ |
| Dimenzió neve | Méretek |
| Dimenzió szimbólum | $ \ mathsf $ |
| CGS egységekben | 1 kg = 10 3 g |
| Planck egységekben | 1 kg = 4,7 · 10 7 |
| Valami után elnevezve | görög. χίλιοι, chilioi (Ezer) és γράμμα, pázsitfű (Levél) |
| Lásd még: Tonna (egység) | |
A kilogramm a tömegegység a Nemzetközi Egységrendszerben (SI). Tömegét a A kilogramm nemzetközi prototípusa (szintén Eredeti kilogramm), a Nemzetközi Súly- és Mérőiroda által tartott platina-irídium henger. A kilogramm egységszimbóluma kg.
A kilogramm egységegysége abban különbözik a Nemzetközi Egységrendszer rendszerétől, hogy SI előtaggal kezdődik (kilo); Éppen ezért a kilogramm tizedes részei és többszörösei nem képezhetők előtagokkal vagy előtagokkal rendelkező kilogrammból, hanem a grammból származnak. [1] A mérő definíciójának 1960-as modernizációja óta a kilogramm az egyetlen SI alapegység, amelyet még mindig meghatároz egy összehasonlító objektum (prototípus).
A kilogramm prototípusok és normálok
1889 óta a metrológiai semleges Nemzetközi kilogramm prototípus a kilogramm mértékegységre vonatkozó referencia-szabvány. A Párizs melletti Sèvres-ben található Nemzetközi Súly- és Mérőiroda (BIPM) széfjében őrzik. Ez egy 39 milliméter magas és 39 milliméter átmérőjű henger, amely 90% platina és 10% irídium ötvözetből készül. Az anyag nagyrészt kémiailag inert. Nagy sűrűsége, akárcsak a geometria megválasztása, minimalizálja a felületi hatások hatásait. Az irídiumtartalom lényegesen nagyobb keménységhez (175HV) vezet a viszonylag puha tiszta platinához képest, ami javítja a megmunkálhatóságot a gyártás során, és különösen csökkenti a kopást a manipuláció során.
A Nemzetközi Kilogramm Prototípus mellett a Nemzetközi Súly- és Mérőiroda (BIPM) rendelkezik más referencia- és munkastandardokkal (→ Normál), amelyek a Nemzetközi Kilogramm Prototípus másolatai és kapcsolódnak hozzá (csatlakozás = kalibrálás magasabb színvonalon) Rendelés). A referencia szabványokat használják az ellenőrzéshez (pl. Sodródás), míg a munkastandardokat a nemzeti kilogramm prototípusok összekapcsolására használják, amelyek egyben a nemzetközi kilogrammos prototípus másolatai. Az összes példányt kilogramm prototípusnak nevezik, és ± 1 milligrammra kalibrálják őket. A referencia- és munkastandardok tömegkomparátorokkal való összekapcsolása relatív mérési bizonytalansággal 3 · 10 −9, az országos kilogramm prototípussal 5 · 10 −9. 2003-ra 84 kilogrammos prototípusokat gyártottak.
Az ország összehasonlítását a BIPM nemzetközi kilogramm prototípusával, úgynevezett újravizsgálatokkal, körülbelül 50 évente végezzük, korábban 1939/46–1953-ban, legutóbb pedig 1988–1992-ben. A referencia-standardokhoz való hasonlításhoz hasonlóan kiderült, hogy az eredeti kilogramm 100 év alatt 50 mikrogrammal könnyebb lett, mint a másolatok. [3] Az ok egyelőre ismeretlen. Kizárták annak lehetőségét, hogy a tisztítás során az anyagot eltávolítsák az eredeti kilogrammból. Egy másik magyarázat az, hogy például a hidrogén távozott a platina-irídium ötvözetből. [4]
Eredet és történelem
1889-ben az I. Általános Súly- és Mérlegkonferencia megfelelő hivatalos állásfoglalásával a kilogramm meghatározása a tömeg tömegétől kilogramm définitif hogy a A kilogramm nemzetközi prototípusa elkészült. Az 1939-ben elvégzett ellenőrzések részeként kiderült, hogy ez hosszú távon jelentős különbséget jelent: A nemzetközi kilogrammos prototípushoz képest a kovácsolt platina szivacsból készült elveszett Kilogramm az archívum Tömegéből 430 mikrogramm 58 év alatt. A lemásolt 40 kilogrammos prototípusok közül 29-et kezdetben sorsolással adtak az egyezmény államainak és más érdekelt feleknek, különösen a tudományos társaságoknak, önköltségi áron, egyet a KI mellett a nemzetközi prototípus referencia példányaként őriztek, és kettőt munkamásolatként a BIPM-hez rendeltek. A tartalékkészletet a csatlakozó államok csökkentették, és 1925-ben a referencia példányok számát négyre növelték.
Tervezett újradefiniálás
Jelenleg az egész világon folyamatban van a kilogramm újradefiniálása oly módon, hogy az a fizika egyik alapvető állandójából levezethető legyen. A fent említett eltérés miatt ez a projekt különösen sürgőssé vált. A jelenlegi helyzet javulása érdekében ki kell dolgozni egy módszert a tömeg meghatározására 10 −8 nagyságrendű pontossággal. 2010-ig el kell érni egy eredményt, hogy a következő, 2011-es, rendszeres általános konferencián elfogadhassuk az intézkedéseket és a súlyokat. Két megközelítést ideiglenesen elhagytak a határidőre való tekintettel, kettőt, az Avogadro-projektet és a Watt-egyensúlyt továbbra is komolyan folytatnak. Az Avogadro projekt eredetileg 2010-ben elmaradt az előírt pontosságtól, de eredményessége biztosnak tekinthető, ha a projektet tovább folytatják. 2011. január végéig a Watt-egyenlegről nem volt eredmény. A konferencián úgy döntöttek, hogy a kilogramm, az amper, a kelvin és az anyajegy egységeket a jövőben fizikai állandókból nyerik le. A végrehajtás pontos eljárásáról és ütemezéséről a következő 2014-es általános konferencián várható döntés. [8] [9]
Avogadro projekt
Az Avogadro konstans $ N_A $ meghatározása a $ m $ tömegből és a $ V $ térfogatból egy olyan testben, amely ismert $ n $ részecskesűrűségű és $ M $ moláris tömegű anyagból áll:
Ha ebben a legnagyobb bizonytalansági tényező a kilogramm megbízhatósága, akkor ennek fordítottja is lehetséges: egy kilogramm a korábbiaknál pontosabban definiálható egy bizonyos izotópkeverék bizonyos számú atomjának tömegeként definiálva.
A $ n $ részecskesűrűség kellően pontos meghatározása csak röntgen-lézeres interferométer alkalmazásával lehetséges, és monokristályos anyagot igényel. Az anyagjellemzők pontosságára vonatkozó követelmények miatt erre jelenleg gyakorlatilag csak kémiailag rendkívül tiszta, izotóposan tiszta szilícium-28 használható. A természetes szilícium esetében, amely három izotóp keveréke, az átlagos moláris tömeg viszonylag gyenge meghatározása korlátozza az általános pontosságot. A térfogat pontos meghatározása megköveteli az anyagból egy nagyon precíz golyó előállítását. Ezenkívül figyelembe kell venni az üregek sűrűségét, a szennyeződések koncentrációit, a felszínen lévő szilícium-dioxid-réteg vastagságát és összetételét, valamint másokat.
A $ V $ térfogatot, beleértve a gömb alakú alaktól való eltéréseket, különböző sugárgeometriai interferométerekkel mértük az NMIJ és az NMI-A, valamint a PTB-nél, ahol egy Fizeau-interferométeren alapuló, újonnan kifejlesztett, egy nanométer alatti bizonytalansággal rendelkező gömb alakú interferométert használtunk. [13]
A lényegében szilícium-dioxidból álló felületi réteg vastagságát és összetételét elektron-, röntgen- és szinkrotron-sugárzás segítségével vizsgáltuk a teljes sűrűség meghatározásához. Többek között meghatározták a gömbfelületek réz- és nikkel-szilicidekkel történő váratlanul magas fémszennyeződését a polírozás során, és megbecsülték annak hatását a gömb térfogatának és tömegének eredményeire, ami szintén a vártnál nagyobb mérési bizonytalansághoz vezetett. A relatív teljes mérési bizonytalanság csökkentésének legnagyobb részét egy új tömegspektrometriai módszer kidolgozásával érték el, amely meghatározta a szilícium $ M $ átlagos moláris tömegét. [14]
2010-ben az Avogadro-állandó 3 · 10 −8 teljes mérési bizonytalansággal nőtt N/A = 6,02214078 (18) · 10 23 mol −1 újonnan meghatározva. [15] Ez a pontosság meghaladja az eddig elért értéket, de a bizonytalanság még mindig 1,5-szer nagyobb, mint a tömeggel foglalkozó tanácsadó bizottság által a kilogramm új meghatározása érdekében megkövetelt 2,10–8. Várható azonban, hogy a gömbinterferometria és az őrlési folyamat további fejlesztéseivel, amelyek a felületi réteg fémszennyeződéséhez vezettek, a szükséges pontosság belátható időn belül elérhető. [16]
Wattmérleg
Határozzuk meg a próbatest tömegét wattmérleggel. [17] Először megmérik a tekercsben lévő áramot, amelyre szükség van a minta lebegtetéséhez. Másodszor feszültséget mérünk, amely a tekercs állandó mozgását indukálja ebben a mágneses mezőben. A két mérési eredmény megsokszorozódik, ami hivatalosan elektromos teljesítményt eredményez az egység wattjával. Ezenkívül ismerni kell a mozgó tekercs sebességét és a gravitációs gyorsulást a mérleg helyén. Ez az eljárás a kilogramm új definíciójának alapjaként egyidejűleg meghatározná a $ h $ cselekvési kvantum értékét.
A Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács (amely átvette a munkát a Brit Nemzeti Fizikai Laboratóriumtól [18]), az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete és a Svájci Szövetségi Metrológiai Hivatal a wattmérleg módszerén dolgozik.
Ion felhalmozódás
Mérhető tömeg előállítása ionnyaláb (elektromosan töltött atomok) segítségével és az ionok összegyűjtése. Az ionnyaláb elektromos áramának és az időnek a mérésével az atom tömege kilogramm egységben számolható. A Physikalisch-Technische Bundesanstalt 1991 óta folytatott kísérleteket arannyal, 2004-ben bizmutra váltott, és 2008-ban abbahagyta a kísérleteket, mivel az újrafogalmazásról szóló döntés meghozataláig lehetetlennek bizonyult ezzel a módszerrel versenyképes eredmények elérése. [19]
Mágneses levitációs kísérlet
A mágnest egy inhomogén mágneses mezőben kell lebegtetni. Tömege a mágnes ezen a téren elfoglalt helyzetéből számítható. Ezt a megközelítést eredetileg annak idején a Japán Nemzeti Metrológiai Kutatólaboratórium követte, de azóta az elérhető pontosság hiánya miatt felhagytak vele. Japán is részt vesz az Avogadro projektben.
irodalom
Richard Davis: Az SI tömegegysége. In: Metrologia 40 (2003), 6. szám (különszám: tömeg), 299-305. O - doi: 10.1088/0026-1394/40/6/001