Эталоны физических величин

Недавно на занятии речь зашла про измерения и эталоны физических величин. Интереса ради покопался в интернете, нашел довольно много интересных фактов и фотографий. Вот, решил поделиться со всеми в виде сообщения.

Как известно, мы сейчас пользуемся для измерения системой СИ (SI, от французского Systeme International d’Unites). Пользуются ей все страны, кроме трех - естественно, америкосам все ни по чем, у них все свое, и еще Либерия с Мьянмой. Согласно основным положениям этой системы, существует 7 базовых физических величин (в скобках даны единицы измерения): длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), сила тока (ампер), температура (кельвин), сила света (кандела), количество вещества (моль). Все остальные физические величины могут быть получены из семи базовых путем умножения, деления и возведения в степень, например, ньютон (единица измерения силы) равен кг·м/с².

В принципе, никто не запрещает применять систему, в которой есть всего одна базовая величина - время. Но это будет ужасно неудобно, ведь единица длины будет выражаться через скорость света, то есть будет равна приблизительно 3·10⁸ метра, единица массы - 4,5·10¹⁸ килограмм. Таким образом, современная система единиц находится в некотором балансе между количеством необходимых единиц и удобством измерения.

Измерением же называется процесс сравнения неизвестной величины с эталоном. И вот эти эталоны и создают огромные проблемы для измерителей. Не буду вдаваться в историю развития эталонов, скажу только, что эталон - это такой эквивалент физической величины, про который все государства договорились, что он абсолютно точен. Эти эталоны, называемые международными, хранятся в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция). По ним сверяют так называемые государственные первичные, или национальные эталоны, которые уже хранятся в главных метрологических организациях государств. А с ними уже сверяются все остальные эталоны страны.

Все эталоны в идеале должны быть привязаны к фундаментальным, неизменным величинам, например, скорости света или гравитационной постоянной. В настоящий момент «сдались» все эталоны, кроме килограмма. Это, кстати, единственная величина в СИ, которая в рекомендуемом применении содержит множительную приставку «кило». Пожалуй, с него и начнем.

Современный эталон килограмма в Международном бюро мер и весов в Севре (Франция)

Вот так выглядит платиново-иридиевый эталон килограмма без защитных колпаков

Вот такой вот платиново-иридиевый цилиндр, хранящийся под тремя колпаками, и определяет, чему же будет равен один килограмм. Правда, в последнее время в СМИ прошли сообщения, что этот эталон слегка «похудел» и отличается по массе от всех(!) национальных эталонов. Вот ученые и гадают, к чему бы это. Даже целые конференции проводят.

Как я уже говорил, эталон килограмма - единственный, оставшийся не привязанным к фундаментальным константам. Сейчас ведутся исследования по подбору возможного преемника. Два наиболее перспективных варианта - эталон с известным количеством атомов изотопа кремния-28 (выполненный в форме шара, чтобы площадь поверхности меньше была) и «электронный килограмм» - магнит, поднимающий один килограмм массы (при этом измеряется мощность, затрачиваемая на генерацию поля). Но пока это только разработки.

Возможный преемник эталона килограмма - шар из определенного числа изотопов кремния-28

Предыдущий эталон метра - платиново-иридиевый брусок длиной один метр

Эталон метра «сдался» последним. Раньше это был брусок все из того же платиново-иридиевого сплава, длиной, как ни странно, один метр и особой формы в поперечнике. Теперь все стало по-другому. Метр - это путь, проходимый лучом света в вакууме за 1/299 792 458 секунды. То есть определение эталона метра свелось к измерению времени.

Современное определение секунды базируется на времени 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия-133. Но и это определение уже считается устаревшим, и на подходе новый эталон, базирующийся на переходах в нейтральных атомах стронция. Пожалуй, самое сложное определение из всех. Ну и аппарат эталона секунды выглядит тоже солидно.

Современный эталон метра - расстояние, которое проходит луч лазера за 1/299 792 458 секунды

Эталон секунды, основанный на переходах в нейтральных атомах стронция

Это были самые красивые фотографии эталонов, которые удалось найти. Поэтому хочу попросить уважаемых читателей - если у кого есть приличные фотографии - присылайте, пожалуйста. Буду дополнять сообщение.

Ну и на закуску - пару монструозных эталонов для величин, не являющихся базовыми величинами СИ. Такие эталоны создаются просто для удобства поверки. Это государственный эталоны силы и графитовый замедлитель, входящий в состав государственного эталона единиц потока и плотности потока нейтронов. Вот такое у нас в России имеется.

Государственный эталон силы, Всероссий научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге

Графитовый замедлитель, входящий в состав госуарственного эталона единиц потока и плотности потока нейтронов

Удачных измерений вам!

Разделы:

Астрономическое (6)

Всякое (39)

Грустное (1)

Институтское регулярное (42)

К защите (10)

Как в этом работать (2)

Картинки для зрителя (7)

О физике (10)

Путешествия (12)

Развитие сайта (11)

Облако меток: