Государственный комитет по стандартизации Республики Беларусь
searchул. Кижеватова, 10/1 224001 г. Брест messagecsm@brest.by      
Горячая линия phone8 (0162) 53-72-12 phone8 (0162) 58-08-70 fax8 (0162) 58-08-71

20 мая Всемирный день метрологии

МБМВ объявило тему Всемирного дня метрологии-2018 «В постоянном развитии – Международная система единиц (SI)»

Постер.
Обращение директора Международного бюро мер и весов.
Обращение директора Международного бюро законодательной метрологии.

 

Ежегодно 20 мая отмечается Всемирный день метрологии. День выбран в ознаменование подписания 20 мая 1875 года в Париже, на международной дипломатической конференции, знаменитой «Метрической Конвенции», на основе которой была создана межправительственная Международная организация мер и весов.

В 1875 году Конвенцию подписали 17 стран, в числе которых была и Россия, так как одним из инициаторов создания Международной организации мер и весов выступила Петербургская Академия наук. На основе Метрической Конвенции было создано Международное бюро мер и весов (BIPM) - первая международная научно-исследовательская лаборатория, установлены рамки для мирового сотрудничества и взаимодействия измерительных наук, и, как следствие, применение достижений этих наук в промышленности, коммерческой деятельности и общественной жизни.

Каждый год Всемирный День Метрологии проводится под новым девизом. В 2018 году девизом выбран тезис: - «В постоянном развитии - Международная система единиц (СИ)».

Данная тема была выбрана в связи с предстоящим в ноябре 2018 года утверждением на Генеральной конференции по мерам и весам некоторых из самых значимых изменений, которые когда-либо затронули Международную систему единиц (СИ). Планируемые изменения опираются на результаты исследований новых методов измерений, проводимых с использованием эталонов, основанных на квантовых эффектах. Реализация единиц Международной системы (СИ) будет происходить исходя из их определений, каждое из которых привязывается к соответствующему закону физики, благодаря чему будет обеспечена возможность использовать будущие достижения метрологии и научно-технического прогресса для удовлетворения потребностей пользователей на многие годы вперед.

Метрическая система - общее название международной десятичной системы единиц, основанной на использовании метра и грамма. На протяжении последних двухсот лет, существовали различные варианты метрической системы, различающиеся выбором основных единиц. В настоящее время международно признанной является система СИ.

СИ является развитием метрической системы мер, которая была создана французскими учёными и впервые широко внедрена после Великой французской революции. До введения метрической системы единицы выбирались независимо друг от друга, поэтому пересчёт из одной единицы в другую был сложным. К тому же в разных местах применялись разные единицы, иногда с одинаковыми названиями.

Краткая историческая справка развития системы СИ:

  • в 1799 году во Франции были изготовлены два эталона - для единицы длины (метр) и для единицы массы (килограмм);
  • в 1832 году немецкий математик Карл Гаусс разработал научные основы построения систем единиц и создал новую систему. В качестве основных физических величин он принял длину, массу и время, а в качестве основных единиц - миллиметр, миллиграмм и секунду. Впоследствии эта система послужила базой для разработки системы СГС.
  • в 1874 году британскими физиками Джеймсом Максвеллом и Уильямом Томпсоном была представлена система СГС, основанная на трёх единицах - сантиметр, грамм и секунда- и десятичных приставках от микро до мега.
  • в 1875 году представителями семнадцати государств (Россия, Германия, США, Франция, Италия и др.) была подписана Метрическая конвенция, в соответствии с которой были созданы Международный комитет мер и весов (фр. Comité International des Poids et Mesures, CIPM) и Международное бюро мер и весов (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIPM), а также предусмотрен регулярный созыв Генеральных конференций по мерам и весам (ГКМВ) (фр. Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM). Были начаты работы по разработке международных эталонов метра и килограмма.
  • в 1889 году ГКМВ приняла систему единиц МКС, сходную с СГС, но основанную на метре, килограмме и секунде, так как эти единицы были признаны более удобными для практического использования.
  • в последующем были введены основные единицы для физических величин в области электричества и оптики.
  • в 1948 году Международный союз теоретической и прикладной физики и французское правительство обратились к IX ГКМВ со своими предложениями о международной унификации единиц. Приняв во внимание эти обращения, ГКМВ поручила Международному комитету мер и весов выработать рекомендации по созданию единой практической системы единиц измерения, пригодной для принятия всеми государствами участниками Метрической конвенции. В развитие данного решения X ГКМВ в 1954 году приняла в качестве основных единиц вновь разрабатываемой системы следующие шесть единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, кандела].
  • в 1956 году Международный комитет мер и весов рекомендовал, чтобы системе единиц, базирующейся на основных единицах, принятых X ГКМВ, было присвоено наименование «Système International d’Unités»
  • в 1960 году XI ГКМВ приняла стандарт, который впервые получил название «Международная система единиц», и установила международное сокращённое наименование этой системы «SI». Основными единицами в ней стали: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела.
  • XIII ГКМВ (1967-1968) приняла новое определение единицы термодинамической температуры, присвоила ей имя «кельвин» и обозначение «К» (ранее единица называлась «градус Кельвина», а её обозначением был «°K»).
  • XIII ГКМВ (1967—1968) приняла новое определение секунды.
  • в 1971 году XIV ГКМВ внесла изменения в СИ, добавив, в частности, в число основных единиц единицу количества вещества (моль).
  • в 1979 году XVI ГКМВ приняла новое определение канделы.
  • в 1983 году XVII ГКМВ дала новое определение метра.

Семь основных единиц СИ создают основу для определения всех остальных единиц измерений Международной системы единиц. Международная система единиц принята более чем в 130 странах мира. Международная система единиц признана многими влиятельными международными организациями, включая Организацию Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО). Среди признавщих систему СИ - Международная организация по стандартизации (ИСО), Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), Международная Электротехническая комиссия (МЭК), Международный союз чистой и прикладной физики и др.

По мере развития науки и совершенствования измерительной техники определения единиц пересматриваются. Чем выше точность измерений, тем более тщательно должны быть реализованы единицы измерений.

В ноябре 2018 года Международное бюро мер и весов планирует провести самую значительную реформу в международной системе единиц (СИ) со времени последней большой ревизии этого стандарта в 1960 году. Руководство международной организации проголосует за предложенные изменения на Генеральной конференции по мерам и весам в 2018 году, а в случае положительного решения изменения вступят в силу с мая 2019 года. Новые определения для единиц измерения и эталонов никак не отразится на жизни обывателей: один килограмм картофеля в магазине останется тем же килограммом картофеля. Весы будут измерять овощи и мясо с той же точностью, что и раньше. Но эти определения важны для учёных, потому что в научных исследованиях должна соблюдаться идеальная точность формулировок и измерений. Международное бюро мер и весов считает, что новые эталоны позволят «обеспечить высочайший уровень точности в различных способах измерений в любом месте и времени и в любом масштабе, без потери точности».

В 2018 году Международное бюро мер и весов намерено пересмотреть определения и эталоны следующих единиц измерения: ампер, килограмм, кельвин, моль.

Килограмм

Современное определение принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». При этом Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в городе Севр неподалёку от Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Размер прототипа примерно соответствует размеру мяча для гольфа.

1kg
Рис. 1.- Компьютерное изображение международного прототипа килограмма

Проблема с эталоном килограмма состоит в том, что любые материалы могут терять атомы или, наоборот, пополняться атомами из окружающего пространства. В частности, различные официальные копии эталонного килограмма, который хранится в Севре, отличаются по весу от официального эталона. Разница достигает 60 микрограмм. Такие изменения произошли за более чем 100 лет с момента создания копий. Ещё одна проблема с единицами измерения фиксированного масштаба -то, что элемент неопределённости (погрешность) увеличивается по мере удаления от этой фиксированной точки (эталона). Например, сейчас при измерении миллиграмма элемент неопределённости в 2500 раз больше, чем при измерении килограмма.

Эта проблема решается, если определить единицу измерения через другую физическую постоянную. Собственно, в новом определении килограмма так и сделано: здесь используется постоянная Планка.

Новое определение: 1 килограмм равен постоянной Планка, поделенной на 6,626070040 × 10−34 м2·с−1. Для выражения единицы требуется постоянная Планка.

Измерение массы на практике возможно с помощью ваттовых весов: через два отдельных эксперимента со сравнением механической и электромагнитной силы, а затем путём перемещения катушки через магнитное поле для создания разности потенциалов (на иллюстрации внизу). Грубо говоря, масса вычисляется через электроэнергию, которая необходима, чтобы поднять предмет, лежащий на другой чаше весов.

Кельвин

Современное определение: 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём. В обязательном Техническом приложении к тексту Международной температурной шкалы МТШ-90 Консультативный комитет по термометрии установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды.

Тройная точка воды - строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз -в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, чей изотопный состав определён следующими соотношениями:

    0,00015576 моля 2H на один моль 1Н
    0,0003799 моля 17О на один моль 16О
    0,0020052 моля 18О на один моль 16О.

Проблемы современного определения очевидны. При практической реализации величина кельвина зависит от изотопоного состава воды, а на практике практически невозможно добиться молекулярного состава воды, который соответствует Техническому приложению к тексту Международной температурной шкалы МТШ-90. Ещё в 2011 году на заседании Генеральной конференции по мерам и весам было предложено в будущей редакции Международной системы единиц переопределить кельвин, связав его со значением постоянной Больцмана. Таким образом, значение кельвина впервые будет точно зафиксировано.

Новое определение: 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии на 1,38064852 × 10−23 джоулей. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана.

Измерять точную температуру можно с помощью измерения скорости звука в сфере, заполненной газом. Скорость звука пропорциональна скорости перемещения атомов.

Моль

Современное определение: моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.

Новое определение: количество вещества системы, которая содержит 6,022140857 × 1023 специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро).

Для вычисления числа Авогадро и определения моля через него - учёные предлагают создать идеальную сферу из чистого кремния -28. У этого вещества идеально точная кристаллическая решётка, так что количество атомов в сфере можно определить, если точно измерить диаметр сферы (с помощью лазерной системы). В отличие от существующего куска платиново - иридевого сплава, скорость потери атомов кремния-28 точно предсказуема, что позволяет вносить коррективы в эталон.

Первые опыты по созданию такого эталона предприняли в 2007 году. Исследователи из берлинского Института выращивания кристаллов под руководством Хелге Риманна (Helge Riemann) приобрели в России обогащённый кремний-28 и сумели получить образец изотопа 28 с чистотой 99,994%. После этого исследователи ещё несколько лет анализировали состав 0,006% «лишних» атомов, определяли точный объём сферы и проводили рентгеноструктурный анализ. Изначально предполагалось, что «идеальные» сферы из кремния-28 могут быть утверждены в качестве нового стандарта для килограмма. Но сейчас более вероятно то, что их используют для вычисления числа Авогадро, и, как следствие, определения моля. Тем более что за время, прошедшее с 2007 года, физики научились производить гораздо более чистый кремний-28. В 2014 году американские физики сумели обогатить кремний-28 до беспрецедентного качества в 99,9998% в рамках международного проекта по расчёту числа Авогадро.


Рис.2 Сфера из кремния-28 с чистотой 99,9998% может быть использована для вычисления максимально точного числа Авогадро, которое войдёт в определение единицы измерения количества вещества, известной как моль. Фото: Национальная физическая лаборатория Великобритании

Ампер

Современное определение предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1948 году: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 Ньютона».

Изменить определение ампера предложили на заседании Генеральной конференции по мерам и весам в октябре 2011 года. Идея заключалась в том, что новое определение должно быть основано не на созданный человеком артефактах через мысленный эксперимент, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов. Итак, новое определение выражается только через одну постоянную - заряд электрона.

Новое определение: электрический ток, соответствующий потоку 1/1,6021766208 × 10−19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона.

На практике для определения ампера понадобится только один инструмент - одноэлектронный насос. Такие инструменты создали несколько лет назад. Они позволяют перемещать определённое количество электронов в течение каждого насосного цикла, что является крайне ценным качеством для фундаментальной науки и метрологии.

Определения секунды, метра и канделы пока остаются неизменными

2018 РУП «Брестский ЦСМС»copyRight Все права защищены.
^