Что значит эталонные свойства веществ
Эталоны
А в попугаях я гораздо длиннее!
Один знаменитый удав
Все наши измерения, все наши приборы опираются на эталоны. Однако не только на них, а еще на гипотезы о них и вообще об этом мире, на весь опыт физики. Говоря об эталонах, часто рассуждают об их большей или меньшей точности — но это неправильно: эталон точен по определению, мы так решили. И за нашим решением как раз и стоит опыт, физическая модель. В некоторых случаях мы уверены, что эталон — физическая константа: скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, постоянная Планка и т. д. В некоторых — мы понимаем, что это не совсем так, и отчасти знаем почему (современный эталон килограмма). В этих случаях лучше говорить «нестабильность».
Возможные причины нестабильности эталонов — интересный физический вопрос. Метрология начала с естественных эталонов (части тела человека как мера длины, зернышко растения как мера веса), потом частично перешла к искусственным (метр, килограмм), сейчас возвращается к естественным, но уже квантовым. Причины такой эволюции — погоня за стабильностью и легкостью повторения и передачи. Некоторые из этих новых эталонов намного меньше тех, с которыми обычно приходится иметь дело, поэтому необходима масштабирующая цепь устройств. Такие цепи существуют для времени и длины; для некоторых возможных и перспективных эталонов масштабирующие цепи не нужны: например, для эталона напряжения на квантовом эффекте Джозефсона и сопротивления — на квантовом эффекте Холла.
Что касается конкретных эталонов, то метр уже давно определяется не по насечкам на палке и даже не по длине волны излучения, а через секунду и скорость распространения электромагнитной волны, которой приписано точное значение.
В природе полно периодических процессов, поэтому с естественным эталоном времени проблем не было; правда, лично я взял бы не вращение Земли, а периодическое засыпание. Потому что вращается Земля или нет — мы видим только при надлежащем состоянии облачности, а спать хочется в любую погоду. Потом выяснилось, что вращается она неравномерно, и перешли к атомному эталону. А именно: постановили, что секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К. Из определения видно, что период излучения заметно меньше обычно измеряемых временных интервалов, и достижением метрологии было создание системы приборов, преобразующих частоты и временные интервалы из задаваемых атомным эталоном в те, которые обычно приходится измерять.
Эталон массы — это гиря из платиноиридиевого сплава, хранящаяся под двойным колпаком и т. д. Логичен вопрос: почему не взять естественный эталон — атом? Вот уж у кого по всем современным воззрениям с постоянством массы дело обстоит хорошо. Ответ прост: потому что атом маленький, а отсчитать число Авогадро атомов — замучаешься. В пустыне Сахара всего три моля песчинок, а моль однодолларовых бумажек покрыл бы Землю, кажется, слоем в два километра толщиной. Но перейти на естественный псевдоатомный эталон хочется. Поэтому ведутся работы по созданию нового эталона массы на основе атомных свойств; размер самой единицы сохранится, так что выкидывать безмены и прочие весы не придется. Если, конечно, кто-то не «выиграет» всероссийский тендер на замену всех весов.
Эталон количества вещества — это моль. Отдельного эталона моля не существует, по определению — это количество вещества, которое содержит столько молекул (атомов, ионов), сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту — постоянная Авогадро.
В физике есть несколько разных способов определения температуры, в метрологии они все опираются на так называемую термодинамическую температуру. Это та самая, которая однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии). Она же входит в универсальный газовый закон. Шкала температур условна, и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина, Цельсия и Фаренгейта. В некоторых регионах используют более простую шкалу с тремя температурами — холодно, терпимо, жарко. Или четырьмя, как объяснил мне один из авторов нашего журнала, — в Сибири добавляют «мороз, блин». На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка — тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы цена деления шкалы Кельвина совпадала с ценой деления шкалы Цельсия (для упрощения пересчета). Другие реперные точки, которые нужны для калибровки термометров, — это точки фазовых переходов чистых веществ. Для получения промежуточных значений требуется интерполяция между этими точками, она делается термометрами сопротивления и газовым термометром. То есть опять же на основе всей физики.
Эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось — особо стабильным гальваническим элементом («нормальный элемент»). Позже ампер определили через взаимодействие токов, и эталоном стали токовые весы, в которых измеряется сила притяжения между двумя катушками с «эталонируемым» током; эталоном напряжения стал нормальный элемент, а ом стали определять по Ому.
Потом перешли к квантовым стандартам: было показано, что при увеличении тока, протекающего через переход сверхпроводник — диэлектрик — сверхпроводник, облучаемый СВЧ с некоторой частотой, напряжение на переходе увеличивается не плавно, а скачками, причем величина скачка зависит от этой частоты, постоянной Планка и заряда электрона (эффект Джозефсона). Поскольку частота измеряется с высокой точностью, возникла возможность построения квантового эталона напряжения.
Далее было показано, что на переходе металл — диэлектрик — полупроводник при низких температурах имеет место квантовый эффект Холла — при увеличении магнитного поля сопротивление изменяется скачками, зависящими только от постоянной Планка и заряда электрона. Соответственно при наличии квантового эталона напряжения и тока на их основе может быть дано новое определение ампера.
В заключение отметим, что бегать с каждой ученической линейкой в гости к эталону метра не удастся. Поэтому эталоны и средства измерений для любой величины представляют пирамидальную структуру высокой сложности и стоимости. На вершине находятся государственные эталоны основных величин, многомиллионные установки, изолированные комнаты, сложнейшие процедуры, ниже — рабочие эталоны разных классов, потом рабочие средства измерений и, наконец — напольные весы, на шкалу которых с трепетом смотрит лучшая часть человечества. А также деревянная линейка, на которой Вовочка выцарапывает свое мнение о Марь-Иванне. Когда она это обнаружит, его выгонят из класса, а вечером он получит ремня.
28.2. Эталоны, их классификация и виды
Эталон — это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них — рабочим средствам измерений.
Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ.
Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер н весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны — один раз в 3 года.
Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны. Размер воспроизводимой единицы вторичным эталоном сличается с государственным эталоном. Вторичные эталоны (их иногда называют «эталоны-копии») могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами, что связано с особенностями их использования. Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.
Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмма, изготовленные во Франции, которые в 1799 г. были переданы на хранение в Национальный архив Франции, поэтому их стали называть «метр Архива» и «килограмм Архива». С 1872 г. килограмм стал определяться как равный массе «килограмма Архива». Каждый эталон основной или производной единицы Международной системы СИ имеет свою интересную историю и связан с тонкими научными исследованиями и экспериментами.
Например, принятый в 1791 г. Национальным собранием Франции эталон метра, равный одной десятимиллнонной части четверти дуги парижского меридиана, в 1837 г. пришлось пересмотреть. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 метров. К тому же известно, что происходят, хотя и незначительные, но все же постоянные изменения формы и размера Земли. В этой связи ученые Петербургской академии наук в 1872 г. предложили создать международную комиссию для решения вопроса о целесообразности внесения изменений в эталон метра. Комиссия решила не создавать новый эталон, а принять в качестве исходной единицы длины «метр Архива», хранящийся во Франции. В 1875 г. была принята Международная метрическая конвенция, которую подписала и Россия. Этот год метрологи считают вторым рождением метра как основной международной единицы длины.
Уже в XX в. (1967 г.) были опубликованы исследования более точного измерения парижского меридиана, которые показали, что четверть меридиана равна
10 млн. 1954,4 метра. Таким образом, «метр Архива» всего на 0,2 мм короче меридионального метра.
В 1889 г. был изготовлен 31 экземпляр эталона метра из платино-иридиевого сплава. Оказалось, что эталон № 6 при температуре 0°С точно соответствует длине «метра Архива», и именно этот экземпляр эталона по решению I Генеральной конференции по мерам и весам был утвержден как международный эталон метра, который хранится в г. Севре (Франция). Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, причем в качестве государственного был принят эталон № 28.
Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света.
Не менее интересна история эталона единицы массы. «Килограмм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 г., представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платино-иридиевого сплава, За международный прототип килограмма была принята пла-тино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе «килограмма Архива».
По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 ут-
вержден в качестве государствен-
ного эталона массы (см. рис. 28.1). Прототип № 26 использовался как вторичный эталон.
Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на 
кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в пределах 20 +/- 3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона.
За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.
Отклонения массы эталонов, определяемые при международных сличениях, показывают достаточную степень ее стабильности. В табл. 28.1 приведены результаты двух сличений.
Эталонный быт
Как выглядят и как «живут» идеальные единицы измерения
Человечество окончательно отказывается от материальных эталонов, теперь все главные единицы СИ будут привязаны к фундаментальным физическим константам. От точных измерений времени, расстояний и масс сегодня зависит множество вещей — от спутниковой навигации до правильной работы магазинных весов. А точность этих измерений зависит от эталонов — сложных устройств, которые сегодня обслуживают тысячи ученых и инженеров. Нужны ли будут они в новой «нематериальной» метрологии, разбиралась редакция N + 1.
В международной системе единиц измерения СИ (от французского Le Systeme International d’Unites, SI) приняты семь основных величин, через которые определяются все остальные, производные единицы. Для точного измерения этих величин ученые создают эталоны, ведь измерение и есть сравнение чего-либо с эталоном. Первый эталон системы СИ — эталон килограмма — был официально принят в июне 1799 года во Французской республике. С тех пор основные единицы не единожды переопределялись, например единица длины, метр, первоначально была привязана к длине парижского меридиана, потом — к длине волны излучения атома криптона-86 и, наконец, — к скорости света в вакууме. Почти все другие единицы тоже постепенно оказались привязаны к фундаментальным физическим константам (ФФК).
Сейчас во Франции проходит 26-я Генеральная конференции по мерам и весам, и на ней будет принято решение еще раз переопределить килограмм, моль, кельвин и ампер. Американский Национальный институт стандартов (NIST) называет это будущее решение «поворотным пунктом в истории человечества». Система СИ будет обновлена, и из нее исчезнет последний материальный эталон — эталон килограмма. Все единицы будут привязаны к константам, не подверженным износу.
В Россию, согласно реестру Росстандарта, хранятся 165 различных эталонов основных и производных единиц. Что же будет с ними дальше, после новой реформы?
«Система СИ будет окончательно „отвязана“ от материального мира. Килограмм, вслед за остальными единицами, будет переопределен через фундаментальную физическую константу. Но это не значит, что и метрология станет „нематериальной“. Останутся эталоны, останется необходимость их сличений, нужно будет, как и раньше, обеспечивать единство и точность измерений, технически совершенствовать оборудование, передавать единицы измерения основным потребителям — промышленности, медицине, науке. Более того, у нас прибавится работы — понадобится разрабатывать новые измерительные технологии для квантовых единиц», — сказал N + 1 руководитель ВНИИ метрологии имени Дмитрия Менделеева Антон Пронин.
В этой статье мы расскажем о том, как «живут» российские эталоны, как ученые следят за их «здоровьем» и какое будущее их ожидает.
Национальный килограмм
Российский национальный эталон килограмма (его номер в ресстре — ГЭТ 3-2008, у каждого эталона есть такой номер) — это цилиндр из сплава платины и иридия с массовыми долями 90 и 10 процентов соответственно, диаметром и высотой около 39 миллиметров. Хранится образец в лаборатории массы и силы петербургского ВНИИ метрологии. На самом деле эталонов сразу два — это копии № 12 и № 26. 12-й играет роль национального прототипа килограмма, а 26-й — роль эталона-свидетеля, способный в случае порчи или утраты 12-го его заменить.
Цифры 12 и 26 — это порядковые номера копий Международного прототипа килограмма (МПК), хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) во французском городе Севр. Согласно парижскому соглашению 1875 года, за прототип — «истинный килограмм» — был принят оригинальный платино-иридиевый цилиндр, а 42 его точных копии были пронумерованы и разделены: две остались «дежурными» копиями прототипа, а остальные 40 поделили между собой страны-участницы метрической конвенции. Сплав платины и иридия химически инертен, имеет высокую твердость и износоустойчивость, относительно малый коэффициент теплового расширения, большую плотность и наделен парамагнитными свойствами.
Вес российского эталона килограмма менялся примерно на 0,3 микрограмма в год, то есть на 30 микрограмм за более чем 100 лет. Похудел эталон за счет испарения атомов с поверхности цилиндра. Остальные копии показали похожие темпы «потери массы» — от 20 до 50 микрограмм. Это достаточно большие значения для современных требований к точности. Килограмм является одной из семи основных единиц СИ, и накопленные отклонения могут стать причиной так называемого технического системного кризиса. Именно поэтому научное сообщество решило переопределить килограмм через точно измеренную и фиксированную постоянную Планка.
Свои копии килограмма Россия получила в 1893 году, и с тех пор эталон не покидал стены института метрологии, он оставался здесь даже во время блокады Ленинграда. Обе копии являются государственным достоянием и хранятся в историческом здании, спроектированном при участии самого Дмитрия Менделеева для хранения эталонов. Помещение имеет изолированный от остального здания собственный фундамент массой 750 тонн, а температура воздуха поддерживается постоянно на уровне от 18 до 22 градусов Цельсия, причем скорость изменения температуры не может меняться быстрее 0,1 градуса в час.
Но даже очень мощный фундамент не вполне спасает: все работы по передаче единицы для вторичных эталонов и метрологические сличения производятся в ночное время. Рядом с институтом — станция метро и днем возможны погрешности из-за вибраций. Кроме двух копий прототипа килограмма, в состав государственного эталона входят компараторы массы (специальные приборы для сравнения массы двух образцов), аппаратура для измерений плотности воздуха. После перехода СИ на определение всех величин через фундаментальные физические константы передача единицы должна осуществляться в условиях вакуума, поэтому недавно в лаборатории появился вакуумный компаратор.
После переопределения килограмма процедура сличений останется неизменной: техническим протоколом назначается лаборатория-пилот, организующая определенную программу мероприятия с указанием сроков и участников, она же посылает поочередно всем участникам сличений артефакт и рассчитывает отклонение каждой лаборатории от опорного значения.
Единственное новшество будет заключаться в следующем. Ранее единица (килограмм) передавалась от национального эталона вторичным эталонам при помощи компаратора массы (прибора для измерений разности массы между двумя эталонами) в условиях атмосферного воздуха. Теперь же передача единицы от национального прототипа килограмма вторичным эталонам будет осуществляться с помощью вакуумного компаратора в условиях вакуума, то есть в тех же условиях, в которых калиброван прототип.
От вторичных эталонов единица передается рабочим эталонам при помощи обычных компараторов в условиях атмосферного воздуха. Далее сохраняется вся действующая иерархическая система передачи единицы, вплоть до рабочих средств измерений масс: весов торговых, аналитических, весов для взвешивания вагонов и других.
Фонтаны времени
Единица измерения времени — секунда — с 1967 года определяется как интервал времени, соответствующий 9 192 631 770 периодов излучения между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это позволяет государствам создавать свои первичные эталоны единиц времени независимо от других государств.
Российский государственный первичный эталон единицы времени (его номер в реестре ГЭТ 1-2018) хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Это устройство на основе фонтана атомов цезия. «Фонтан» устроен так: облако сверххолодных атомов цезия помещают в оптическую ловушку, а затем под действием лазера они «подпрыгивают» вверх. Затем лазеры выключают, облако медленно опускается, а другой лазер считывает значения.
Что значит эталонные свойства веществ
Метрологи Международного бюро мер и весов хранят точнейшие эталоны, задающие измерительные стандарты всему миру. Выбор химических веществ для изготовления образцов становится нетривиальной задачей.
Эта статья была опубликована в журнале OYLA №8(36). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.
Компьютерная модель международного прототипа килограмма. Образец изготовлен из платино-иридиевого сплава и имеет высоту и диаметр 39,17 мм, его грани имеют фаски под углами 22,5°, 45°, 67,5° и 79° для минимизации износа.
Цилиндр высотой и диаметром 39,17 мм, изготовленный из сплава, содержащего 90% платины и 10% иридия, оберегают от малейшего дуновения воздуха и оседания мельчайшей пыли. Температура, влажность и давление в трёх стеклянных колбах, внутри которых покоится цилиндр, не должны отклоняться от заданных ни на десятую долю процента.
В чём ценность экспоната? Это самый точный эталон килограмма в мире, на который ориентируется Международное бюро мер и весов. Как утверждают метрологи, точность веса этого суперкилограмма составляет несколько десятков нулей после запятой! Поэтому образец так ревностно охраняют — даже несколько лишних атомов не должны попасть на поверхность цилиндра. Материал для него выбирали среди металлов с наибольшей плотностью: чем меньше поверхность, тем проще следить за сохранностью эталона.
Ахим Лестнер из Австралийского центра прецизионной оптики и монокристаллическая кремниевая сфера весом 1 кг для проекта «Авогадро». Эта сфера — один из самых круглых техногенных объектов в мире. Если масштабировать её до размера Земли, высота самого высокого дефекта площадью с целый континент была бы меньше 2,4 м.
Платина стала победителем ещё и по причине отличной электропроводности, которая не даёт накапливаться статическому электричеству: лишним частицам здесь не рады! Исключительная твёрдость платины стала последним аргументом в её пользу: это свойство снижает вероятность появления царапин в ходе крайне редких калибровок.
И что бы вы думали? Беспрецедентные меры безопасности не уберегли платино-иридиевый эталон: он потерял вес отпечатка человеческого пальца! Как и почему это произошло, никто до сих пор не знает…
В этих часах атомы газообразного цезия-133 колеблются между двумя энергетическими уровнями при движении между магнитами на концах резонатора (длинный цилиндр, нижний левый). Количество этих колебаний — около 9193 млн — и составляет продолжительность стандартной секунды. Разработка первых цезиевых атомных часов Луи Эссеном и Джеком Перри в 1955 году привела к замене астрономической секунды атомной секундой как стандартной единицей времени.
Любые, даже самые дорогие часы идут неточно. Об этом прямо пишут в инструкции: неточность хода составляет в лучшем случае до 10 секунд в год. Как же узнать правильное время и где находятся самые точные часы в мире? В Лондоне, в Национальной физической лаборатории. Это атомные цезиевые часы, по которым калибруют измерители времени даже в парижском Международном бюро мер и весов.
При облучении электроны в атоме начинают скакать между энергетическими уровнями. Часы, основанные на таких колебаниях, могут обеспечить точный способ подсчёта секунд. Внутри часов атомы цезия направляются по трубе и проходят через радиоволны. Если частота излучения составляет 9 192 631 770 скачков в секунду, то атомы цезия «резонируют» и меняют своё энергетическое состояние. Детектор в конце трубки подсчитывает количество атомов, изменивших энергетическое состояние, и даёт выходной сигнал. Этот сигнал сравнивается с пиковым числом атомов цезия — полученная частота и определяет отрезок времени, который мы называем секундой.
Принцип работы устройства основан на едва заметных колебаниях электронов в магнитном поле на внешних орбиталях атома. Точнейшие лазерные детекторы регистрируют микроперемещения электрона с помощью испускаемых фотонов. Оказалось, что за секунду электрон атома цезия успевает сделать 9 192 631 770 колебаний — не больше и не меньше, в любых условиях. В 1960‑е годы научное сообщество решило принять цезиевый стандарт в качестве универсального для отсчёта времени. Цезию удалось прославиться за счёт относительно большого размера атома (его удобнее облучать) и всего одного электрона на внешнем уровне (проще определить). Сверхточное время, которое показывают эти часы, используется, в частности, в спутниковых навигационных системах — отклонения при определении местоположения объекта составляют буквально миллиметры.
За последнее десятилетие были созданы прототипы оптических атомных часов на основе стронция и иттербия. Они излучают и поглощают высокочастотные фотоны в видимом спектре. Погрешность таких часов составляет не более одной секунды в 15 млрд лет. Они в 100 раз точнее цезиевого аналога.
Каждые десять лет требования к точности мер становятся всё более жёсткими, а значит, консервативная наука метрология не даст нам заскучать.