2018 יכולה להיקרא שנה גורלית במטרולוגיה, כי זה הזמן של מהפכה טכנולוגית אמיתית במערכת הבינלאומית של יחידות של כמויות פיזיקליות SI. מדובר בשינוי ההגדרות של הכמויות הפיזיקליות העיקריות. האם קילוגרם תפוחי אדמה בסופר ישקול כעת בצורה חדשה? C תפוחי אדמה יהיו זהים. משהו אחר ישתנה.
לפני מערכת ה-SI
תקנים נפוצים במשקלים ובמידות היו נחוצים בימי קדם. אבל הכללים הכלליים למדידות הפכו נחוצים במיוחד עם הופעת הקידמה המדעית והטכנולוגית. מדענים היו צריכים לדבר בשפה משותפת: רגל אחת היא כמה סנטימטרים? ומה זה סנטימטר בצרפת כשהוא לא זהה לאיטלקית?
ניתן לכנות את צרפת ותיקת כבוד ומנצחת בקרבות מטרולוגיים היסטוריים. זה היה בצרפת בשנת 1791 שמערכת המדידה אושרה רשמית ושלהםיחידות, וההגדרות של הכמויות הפיזיקליות העיקריות תוארו ואושרו כמסמכי מדינה.
הצרפתים היו הראשונים שהבינו שצריך לקשור כמויות פיזיות לחפצים טבעיים. לדוגמה, מטר אחד תואר כ-1/40,000,000 מאורך קו האורך מצפון לדרום לכיוון קו המשווה. הוא היה קשור, לפיכך, לגודל כדור הארץ.
גרם אחד נקשר גם לתופעות טבע: הוא הוגדר כמסת המים בסנטימטר מעוקב ברמת טמפרטורה קרובה לאפס (המסת קרח).
אבל, כפי שהתברר, כדור הארץ אינו כדור מושלם כלל, ולמים בקובייה יכולים להיות מגוון תכונות אם הם מכילים זיהומים. לכן, הגדלים של הכמויות הללו בחלקים שונים של כוכב הלכת היו שונים מעט זה מזה.
בתחילת המאה ה-19 נכנסו לעסק הגרמנים, בראשות המתמטיקאי קרל גאוס. הוא הציע לעדכן את מערכת המידות סנטימטר-גרם-שניה, ומאז יחידות מטריות נכנסו לעולם, מדע והוכרו על ידי הקהילה הבינלאומית, נוצרה מערכת בינלאומית של יחידות של כמויות פיזיות.
הוחלט להחליף את אורך המרידיאן ומסה של קוביית מים בתקנים שנשמרו בלשכת המשקלים והמידות בפריז, בחלוקת עותקים למדינות המשתתפות במדד. כנס.
קילוגרם, למשל, נראה כמו גליל העשוי מסגסוגת של פלטינה ואירידיום, שבסופו של דבר גם לא הפך לפתרון אידיאלי.
המערכת הבינלאומית של יחידות של כמויות פיזיקליות SI נוצרה ב-1960. בהתחלה זה כלל שישהכמויות בסיסיות: מטרים ואורך, קילוגרמים ומסה, זמן בשניות, חוזק זרם באמפר, טמפרטורה תרמודינמית בקלווין ועוצמת האור בקנדלה. עשר שנים אחר כך נוספה להם עוד אחד - כמות של חומר, נמדדת בשומות.
חשוב לדעת שכל שאר יחידות המדידה של הכמויות הפיזיקליות של המערכת הבינלאומית נחשבות לנגזרות של הבסיסיות, כלומר ניתן לחשב אותן באופן מתמטי באמצעות הכמויות הבסיסיות של מערכת ה-SI.
הרחק מהסטנדרטים
תקנים פיזיים התבררו כלא מערכת המדידה האמינה ביותר. תקן הקילוגרם עצמו והעותקים שלו לפי מדינה מושווים זה לזה מעת לעת. התאמות מראות שינויים בהמוני התקנים הללו, המתרחשים מסיבות שונות: אבק במהלך האימות, אינטראקציה עם הדוכן או משהו אחר. מדענים שמו לב לניואנסים הלא נעימים הללו במשך זמן רב. הגיע הזמן לשנות את הפרמטרים של יחידות הכמויות הפיזיקליות של המערכת הבינלאומית במטרולוגיה.
לכן, כמה הגדרות של כמויות השתנו בהדרגה: מדענים ניסו להתרחק מהסטנדרטים הפיזיקליים, שבדרך זו או אחרת שינו את הפרמטרים שלהם לאורך זמן. הדרך הטובה ביותר היא לגזור כמויות במונחים של תכונות בלתי ניתנות לשינוי, כגון מהירות האור או שינויים במבנה האטומים.
ערב המהפכה במערכת ה-SI
שינויים טכנולוגיים עיקריים במערכת הבינלאומית של יחידות של כמויות פיזיות מתבצעים באמצעות הצבעה של חברי הלשכה הבינלאומית למשקלים ולמידות בכנס השנתי. אם יאושרו, השינויים ייכנסו לתוקף לאחר כמהחודשים.
כל זה חשוב ביותר עבור מדענים שהמחקר והניסויים שלהם דורשים דיוק מירבי במדידות ובניסוחים.
תקני הייחוס החדשים לשנת 2018 יסייעו להשיג את רמת הדיוק הגבוהה ביותר בכל מדידה בכל מקום, זמן וקנה מידה. וכל זה ללא כל אובדן דיוק.
הגדרה מחדש של כמויות במערכת ה-SI
זה נוגע לארבע מתוך שבע הכמויות הפיזיות הבסיסיות הפועלות. הוחלט להגדיר מחדש את הכמויות הבאות עם יחידות:
- קילוגרם (מסה) תוך שימוש ביחידות הקבוע של פלאנק בביטוי;
- אמפר (נוכחי) עם מדידת טעינה;
- kelvin (טמפרטורה תרמודינמית) עם ביטוי יחידה באמצעות קבוע בולצמן;
- מול דרך הקבוע של אבוגדרו (כמות החומר).
עבור שלוש הכמויות הנותרות ישונה נוסח ההגדרות, אך מהותן תישאר ללא שינוי:
- מטר (אורך);
- שניה (זמן);
- קנדלה (עוצמת אור).
שינויים עם Amp
מהו האמפר כיחידה של כמויות פיזיקליות במערכת ה-SI הבינלאומית כיום, הוצע עוד ב-1946. ההגדרה הייתה קשורה לעוצמת הזרם בין שני מוליכים בוואקום במרחק של מטר אחד, תוך ציון כל הניואנסים של מבנה זה. אי דיוק ומדידה מסורבלת הם שני המאפיינים העיקריים של הגדרה זו מנקודת המבט של היום.
בהגדרה החדשה, אמפר הוא זרם חשמלי השווה לזרימה של מספר קבוע של מטענים חשמליים בשנייה. היחידה מבוטאת במטענים אלקטרונים.
כדי לקבוע את האמפר המעודכן, יש צורך בכלי אחד בלבד - מה שנקרא משאבת אלקטרונים יחיד, המסוגלת להזיז אלקטרונים.
שומה חדשה וטוהר סיליקון 99.9998%
ההגדרה הישנה של שומה קשורה לכמות החומר השווה למספר האטומים באיזוטופ פחמן עם מסה של 0.012 ק ג.
בגרסה החדשה, זוהי הכמות של חומר הכלול במספר מוגדר במדויק של יחידות מבניות שצוינו. יחידות אלו מבוטאות באמצעות קבוע Avogadro.
יש גם דאגות רבות עם המספר של Avogadro. כדי לחשב אותו, הוחלט ליצור כדור של סיליקון-28. איזוטופ זה של סיליקון נבדל על ידי סריג הגביש המדויק שלו לשלמות. לכן, ניתן לספור במדויק את מספר האטומים בו באמצעות מערכת לייזר המודדת קוטר של כדור.
אפשר, כמובן, לטעון שאין הבדל מהותי בין כדור סיליקון-28 לבין סגסוגת הפלטינה-אירידיום הנוכחית. גם זה וגם חומר אחר מאבד אטומים בזמן. מפסיד, נכון. אבל סיליקון-28 מאבד אותם בקצב צפוי, כך שיבוצעו התאמות בהפניה כל הזמן.
סיליקון-28 הטהור ביותר עבור הכדור הושג לאחרונה בארה ב. הטוהר שלו הוא 99.9998%.
ועכשיו קלווין
קלווין היא אחת מיחידות הכמויות הפיזיקליות במערכת הבינלאומית ומשמשת למדידת רמת הטמפרטורה התרמודינמית. "בדרך הישנה" זה שווה ל-1/273, 16חלקים מהטמפרטורה של הנקודה המשולשת של המים. הנקודה המשולשת של המים היא מרכיב מעניין ביותר. זוהי רמת הטמפרטורה והלחץ שבה המים נמצאים בשלושה מצבים בו-זמנית - "קיטור, קרח ומים."
ההגדרה של "צלוע על שתי הרגליים" מהסיבה הבאה: הערך של קלווין תלוי בעיקר בהרכב המים עם יחס איזוטופים ידוע תיאורטית. אבל בפועל, אי אפשר היה להשיג מים עם מאפיינים כאלה.
הקלווין החדש יוגדר באופן הבא: קלווין אחד שווה לשינוי באנרגיה התרמית ב-1.4 × 10−23j. היחידות מבוטאות באמצעות קבוע בולצמן. כעת ניתן למדוד את רמת הטמפרטורה על ידי קביעת מהירות הקול בכדור הגז.
קילוגרם ללא תקן
אנחנו כבר יודעים שבפריז יש תקן של פלטינה עם אירידיום, שאיכשהו שינה את משקלו במהלך השימוש בו במטרולוגיה ובמערכת היחידות של הכמויות הפיזיקליות.
ההגדרה החדשה של הקילוגרם היא: קילוגרם אחד מבוטא כקבוע של פלאנק חלקי 6.63 × 10−34 m2 · с−1.
מדידה של מסה יכולה להיעשות כעת על סולמות ה"וואט". אל תתנו לשם להטעות אתכם, אלו לא המאזניים הרגילים, אלא חשמל, שמספיק להרים חפץ ששוכב בצד השני של המשקל.
יש צורך בשינויים בעקרונות של בניית יחידות של כמויות פיזיקליות ובמערכת שלהן בכללותה, קודם כל, בתחומי המדע התיאורטיים. הגורמים העיקריים במערכת המעודכנתהם כעת קבועים טבעיים.
זו המסקנה ההגיונית של פעילות ארוכת שנים של קבוצה בינלאומית של מדענים רציניים שמאמציהם במשך תקופה ארוכה נועדו למצוא מדידות והגדרות אידיאליות של יחידות המבוססות על חוקי הפיזיקה הבסיסית.
