Международный прототип килограмма. Эталон массы

Единицы Международной системы единиц измерений (системы СИ), которые использует человек для определения характеристик окружающего пространства, определяются в терминах фундаментальных универсальных понятий. Например, в расстоянии, пройденном светом в вакууме (в случае с метром), или в числе вибраций атома цезия (в случае со временем).

Все, кроме килограмма. Со времен Людовика XVI, ставшего инициатором введения первой международной системы весов и мер, масса одного килограмма определяется физическими предметами.

Король в попытке справиться с мошенничеством среди торговцев принял за эталон килограмма сосуд заданного объема с водой в точке замерзания (при температуре 0 °С). Артефакт хранился в подвале замка французского правителя и в течение десяти лет выступал главным ориентиром для определения веса во Франции и ее колониях.

После смерти Людовика XVI новый способ измерять вес килограмма предложили химики Луи Лефевр-Жино и Джованни Фабброни. Они подсчитали, что вода обладает наибольшей плотностью и устойчивостью при температуре 4 °С. Кроме того, ученые предложили в качестве эталона сосуд весом в один грамм.

Однако и эта система оказалась не идеальна - граммовый сосуд с водой, размер которого едва превышал горошину, оказался непрактичен для коммерческого условия. Такая система мер не обеспечивала достаточную точность измерений в условиях роста международной торговли и необходимости стандартизировать вес промышленных товаров.

Поэтому после французской революции в стране появился первый металлический эталон, который весил в тысячу раз больше предшественника - ровно килограмм.

Окончательное решение предложила Великобритания - в 1889 году в Лондоне был отлит килограммовый цилиндр из сплава платины и иридия, который на первом заседании Международного бюро мер и весов (BIMP) был принят эталоном измерения веса.

Металл под охраной

С тех пор цилиндр хранится под тремя стеклянными колпаками из крепкого стекла в павильоне де Бретейль, расположенном в одном из самых посещаемых парков Парижа - Сен-Клу.

За два века его покой нарушали три раза - смотритель обрабатывал цилиндр смесью серной кислоты и спирта, а затем кипящей и дистиллированной водой. Такое почтение к куску металла можно счесть паранойей ученых, но оно объяснимо. По весу эталона определяется масса промышленных и продовольственных товаров в 60 странах, в числе которых Европейское содружество и Россия.

В конце XIX века BIMP изготовило 40 копий эталона и разослало их в страны, подписавшие договор о принятии метрической системы измерения массы. Масса цилиндров-копий незначительно отличалась от оригинала, разница в весе была тщательно задокументирована.

Однако спустя 50 лет, в 1948 году, все образцы решили собрать вместе для взвешивания и калибровки. Тогда выяснилось, что все они весят по-разному. Некоторые копии эталона полегчали на 10 мг, другие стали тяжелее.

В 1992 году, когда копии вновь собрали вместе и сравнили с оригиналом, их вес изменился еще сильнее. У шести цилиндров, которые хранились в одном помещении с эталоном в павильоне де Бретейль, вес вырос на 40 мг. Ровно столько весит отпечаток пальца, и ученые решили, что кто-то мог прикоснуться к металлу во время чистки.

Однако после обработки кислотой и спиртом вес цилиндров не изменился - они по-прежнему весили больше, чем в момент изготовления. Вероятно, причиной этого стало выветривание и поглощение металлом молекул из воздуха.

Этот эксперимент стал потрясением для ученых - от измерения веса килограмма зависят четыре из семи единиц измерения и производные от них: например, ньютон, паскаль, ватт, джоуль, вольт, сиверт и другие.

Цифровой эталон

К тому времени шесть из семи значенией системы СИ (метр, секунда, ампер, моль, кельвин, кандела) измерялись с помощью физических констант - точных и неизменных значений, идеально подходящих для измерения окружающего пространства.

Например, физики отказались от измерения секунды как 1/86 400 доли средней длительности дня. Вместо этого это величина стала определяться как время, необходимое для 9,192,631,770 вибраций атома цезия. То же самое произошло с метром - ученые отказались от определения этой величины путем высчитывания 1/10 000 000 доли от расстояния между экватором и Северным полюсом. теперь он определяется как длина, пройденная светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

Аналогичную физическую константу ученые пытались найти и для килограмма. В 1988 году британский физик Роберт Киббл создал устройство под названием «ватт-баланс», которое позволяет измерить вес через через константу Планка. Масса при этом подходе пропорциональна произведению тока и напряжения.

После смерти изобретателя в 2016 году устройство получило название «баланс Киббла». Электромагнитные силы в нем возникают благодаря катушке, зажатой между двумя постоянными магнитами.

Прибор имеет два режима работы. В первом электрический ток проходит через катушку и создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем. В результате создается давление, которое позволяет сбалансировать массу килограмма.

Во втором режиме катушка поднимается с постоянной скоростью - восходящее движение индуцирует в ней напряжение, пропорциональное силе магнитного поля. Измеряя ток, напряжение и скорость катушки, исследователи могут вычислить константу Планка, которая пропорциональна количеству электромагнитной энергии, необходимой для определения баланса массы.

«Баланс Киббла». Фото: NIST

Переход от металлического цилиндра в качестве эталона килограмма к измерению этой величины «балансом Киббла» позволит решить множество проблем, в том числе национальной безопасности, считает бывший коллега Киббла Ян Робинсон.

«Одной из основных причин перехода является обеспечение международной безопасности. Если бы павильон де Бретейль сгорел завтра, а килограмм в его хранилище растаял от высокой температуры, у нас не было бы никакой возможности проверить подлинность измерений. Это отразится на всей метрической системе - в мире будет хаос.

Но эта уязвимость скоро останется в прошлом. Мы примем новый метод взвешивания килограмма и освободимся от физического артефакта, исчезновение которого может поставить под угрозу всю мировую торговлю», - отмечает он.

Еще одной важной мотивацией для замены эталона является необходимость в проведении все более и более точных измерений, рассказывает профессор Британской физической лаборатории (NPL) Тим Приор.

«Фармацевтические компании скоро захотят использовать ингредиенты, которые нужно будет измерять с точностью до нескольких миллионных или даже миллиардных долей грамма. Мы должны быть готовы взвешивать вещества с такой точностью», - говорит Приор.

Кажется, дни парижского короля килограмма действительно сочтены. На этой неделе делегаты Международной генеральной конференции по весу и мерам, как ожидается, проголосуют за повсеместный переход на использование «баланса Киббла» для определения веса килограмма по константе Планка и отказ от цилиндра из павильона де Бретейль.

Пока «баланс Киббла» стоит дорого, но инвестиции в его покупку - ничто по сравнению с ущербом мировой экономике в случае пропажи эталона килограмма.

Это значит, что короля килограмма скоро будет свергнут и он займет свое место в музее рядом с эталонами времен Людовика XVI и Французской революции. Трудно представить, что в эпоху космических кораблей и искусственного интеллекта человечество все еще использует изготовленный в XIX веке металлический брусок как отправную точку для измерения массы всех предметов на Земле.

Федеральное агентство по образованию

Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Приборостроение и телекоммуникации»

РЕФЕРАТ

ЭТАЛОН ДЛИНЫ И МАССЫ

Выполнил:

ст-т гр. Р 54-2

А. Е. Шамова

Проверил:

преподаватель

Красноярск 2007

Эталоном называется средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины и передачи ее размера другим, менее точным, средствам измерения.

Международные эталоны хранятся в Международном Бюро Мер и Весов, расположенном в Севре – пригороде Парижа. В соответствии с международными соглашениями с их помощью периодически проводятся сличения национальных эталонов разных стран, в том числе взаимные сличения национальных эталонов. Например, национальные эталоны метра и килограмма сличаются один раз в 20-25 лет, а эталоны вольта и Ома – раз в три года.

Эталон единицы длины.

В 1971 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы длины – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза .

Но уже в 1837 г. Французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции.

В 1889 г. Был изготовлен 31 эталон метра в виде платиноиридиевого стержня Х-образного поперечного сечения, который, как следует из рассмотрения Рис. 1 вписывается в квадрат .

Длина линейки составляет 102 см. На каждом из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет. Уже в начале 20 в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.

В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями
и
атома криптона-86.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной в сосуд Дюара с жидким азотом (Рис. 2 ). При подаче электрического напряжения +1500 в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линейки (Рис. 1 ). Фактически определяется не все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения производится с помощью спектроинтерферометров.

Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила .

Новый эталон метра.

Повышение точности эталона длины стало реальным при получении возможности распространения абсолютных измерений частоты (в радиочастотном спектре колебаний) на оптический диапазон и разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света. В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое опреде­ление метра: «Метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 доли секунды (точно)». Данное определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: «криптоновый» метр не был непосредственно связан со временем, новый метр опирается на эталон единицы времени - секунду и известное значение скорости света.

Еще многие годы метрология и техника будут использовать значение скорости света, установленное XVII Ге­неральной конференцией по мерам и весам.

В настоящее время для обеспечения высокой степени стабилизации важ­нейшего параметра лазерного излучения – частоты, широко применяются ге­лий-неоновые лазеры на длине волны излучения
мкм (инфракрасная область спектра) и мкм (видимая область спектра), стабилизирован­ные соответственно по насыщенному поглощению в метане (Не-Ne/CH 4 ) и молекулярном йоде (Не-Ne/I 2 ).

Лазеры на основе (Не-Ne/CH 4 ) по воспроизводимости частоты прибли­жаются к цезиевому стандарту, являющемуся основой эталона времени и час­тоты. Работающий в видимом диапазоне спектра Не-Ne/I 2 лазер позволяет реализовать новое определение метра через скорость распростране­ния света в вакууме. Наличие излучения на двух длинах волн ( мкм и мкм) дает возможность с помощью интерферометра обеспечить высо­кую точность измерений. Секунда воспроизводит­ся с помощью цезиевых стандартов частоты в СВЧ диапазоне электромагнит­ных колебаний, а новый метр – в оптическом диапазоне частот, т. е. на несколько порядков выше частот, применяемых в эталоне времени и частоты. Таким образом, необходим «мост», служащий для передачи эталонной частоты цезиевого стандарта в оптическую часть диапазона.

Комплекс аппаратуры для «переноса» измерений частоты в «радиочастотном» эталоне времени на изме­рения частоты высокостабильных лазеров (в оптическом диапазоне) был наз­ван радиооптическим частотным мостом (РОЧМ). РОЧМ позволил по­лучить наивысшую точность измерения скорости света в вакууме и рассматри­вать ее как фундаментальную физическую константу, явился основой создания единого эталона частоты – времени - длины. В этот эталон входят эталон време­ни и частоты, аппаратура РОЧМ, а также новый эталон метра, включающий Не-Ne лазеры, интерферометр сравнения длин волн Не-Ne/CH 4 лазеров и Не-Ne/I 2 лазеров, интерферометр, непосредственно формирующий единицу длины - метр. Этот эталон имеет погрешность воспроизведения в виде средне­го квадратического отклонения результата измерений около
, система­тическая составляющая не превышает
, т. е. более чем на три порядка меньше погрешности воспроизведения метра с помощью «криптонового» мет­ра.

Эталон единицы массы.

Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкое разграничение понятий массы и веса, и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.

В состав эталона входят:

Копия международного прототипа килограмма (№ 12), представляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого цилиндра с закругленными реб­рами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (г. Санкт -Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе. Эталон хранится при поддержании температуры воздуха в пределах (20±3)°С и относительной влажности 65 %. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера килограмма;

Равноплечие призменные весы на 1 кг № 1 с дистанционным управлением (с целью исключения влияния оператора на температуру окружающей среды), изготовленные фирмой «Рупрехт», и равноплечие современные весы на 1 кг № 2, изготовленные во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторич­ным эталонам.

На Рис. 3 показан эталон килограмма в современном виде. Справа на рисунке представлено вместе с прототипом килограмма № 12 двухконтурное стеклянное защитное устройство.

Погрешность воспроизведения килограмма, вы­раженная средним квадратическим отклонением результата измерений, составляет
.

Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Табл. 1 приведены результаты лишь двух сличений (они были и позже 1954 г.) эталонов килограмма.

Таблица 1

Новый эталон килограмма

Недавно выяснилось, что Парижский эталон килограмма не совсем точен. Решить эту проблему, т.е. создать новый эталон массы, поможет программа, в которой участвуют ученые из восьми стран. Первые 140 граммов вещества для нового эталона уже существуют. Это сверхчистый кремний, на 99,99% состоящий из изотопа кремния-28.

Через три года такого кремния будет уже 5 кг. Этого хватит, чтобы сделать килограммовый шар, число атомов кремния-28 в котором будет точно известно. И тогда допотопную гирю в парижской Палате мер и весов заменит эталон, не только масса, но и число атомов в котором будут определены с предельной для сегодняшней мировой науки точностью.

Получить новый, действительно точный эталон массы ученые, а особенно физики, мечтали давно. Часть работы выполнена, но впереди еще огромный объем. Дело в том, что в микроэлектронике химически чистый кремний получать в основном научились. Но природный кремний состоит из трех изотопов с разной, естественно, массой атомов - 28 (92%), 29 (5%) и 30 (3%) углеродных единиц. А для эталона массы атомы нужны только одинаковые. Только после получения в России изотопически-чистого кремния в Австралии сделают идеальный гладкий шар. И потом шар будут долго и тщательно проверять в Германии и Франции. Таким образом, впервые появляется возможность уточнить одну из самых фундаментальных химических величин - число Авогадро.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН

ЕДИНИЦЫ МАССЫ (килограмм)

Эталонные весы с наибольшим пределом взвешивания 1 кг

Утвержден Постановлением Госстандарта СССР от 6.12.1984 г. № 4109, хранится во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. Эталон предназначен для воспроизведе­ния, хранения и передачи размера еди­ницы массы, получаемого на основании периодических сличений с Международ­ным прототипом килограмма. Основу эталона составляют копии № 12 и № 26 Международного прототипа кило­грамма, который хранится в Междуна­родном бюро мер и весов. Копии были изготовлены фирмой «Джонсон, Маттей и К 0 » из платино-иридиевого сплава в ви­де прямого круглого цилиндра с высотой, равной диаметру, подогнаны по массе и исследованы в МБМВ, переданы России в 1889 г

В составе эталона:

Национальный прототип килограмма - копия № 12 Международного прототипа килограмма;

Национальный прототип килограмма - копия № 26 Международного прототипа килограмма;

Эталонная гиря массой 1 кг и набор эта­лонных гирь массой от 1 до 500 г из пла- тино-иридиевого сплава;

Эталонные весы-компараторы с наи­большими пределами взвешивания 1 кг; 200, 25 и 3 г.

Область применения:

Метрологическое обеспечение единства измерений массы во всех областях науки и производственной деятельности: машиностроение, приборостроение, микроэлектроника, транспорт, оборонная промышленность, научные исследования, системы контроля и учета продукции, сельское хозяйство и др.

Современные эталоны - это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А эталон массы был и остается гирей - платиново-иридиевой "образца 1889 года" (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Сущность самой измерительной операции также осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Конечно, изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия (так, например, были открыты аргон и другие инертные газы).

Эту килограммовую гирю из платины и иридия сделала в 1889 году парижская ювелирная фирма по заказу Международного бюро мер и весов. Всего таких эталонов было изготовлено 42, а стран, подписавших тогда конвенцию о принятии метрической системы, - 17. По мере “подключения” к новой системе измерений других стран им вручали эталон килограмма.

Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее: не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка - это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский - раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них - к образцовым наборам гирь.
Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01 о С, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг.

Масса – это инерционная характеристика тела, показывающая, насколько трудно выводится оно внешней силой из состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения. Единица силы есть сила, которая, воздействуя на единицу массы, изменяет ее скорость на единицу скорости в единицу времени.

Все тела притягиваются друг к другу. Таким образом, всякое тело вблизи Земли притягивается к ней. Иначе говоря, Земля создает действующую на тело силу тяжести. Эта сила называется его весом . Сила веса, как указывалось выше, неодинакова в разных точках на поверхности Земли и на разной высоте над уровнем моря из-за различий в гравитационном притяжении и в проявлении вращения Земли. Однако полная масса данного количества вещества неизменна; она одинакова и в межзвездном пространстве, и в любой точке на Земле.

Точные эксперименты показали, что сила тяжести, действующая на разные тела (т.е. их вес), пропорциональна их массе. Следовательно, массы можно сравнивать на весах, и массы, оказавшиеся одинаковыми в одном месте, будут одинаковы и в любом другом месте (если сравнение проводить в вакууме, чтобы исключить влияние вытесняемого воздуха). Если же некое тело взвешивать на пружинных весах, уравновешивая силу тяжести силой растянутой пружины, то результаты измерения веса будут зависеть от места, где проводятся измерения. Поэтому пружинные весы нужно корректировать на каждом новом месте, чтобы они правильно показывали массу. Простота же самой процедуры взвешивания явилась причиной того, что сила тяжести, действующая на эталонную массу, была принята за независимую единицу измерения в технике.

Энергия движений		движ
	Масса - килограмм (кг, kg)	микрограмм (мкг) = 10 –9 кг миллиграмм (мг) = 10 –6 кг грамм (г) = 10 –3 кг центнер метрический (ц) = 100 кг тонна метрическая (т, тн) = 1000 кг
	Сила - ньютон (Н, N) Размерность: Н = кг·м/с2	килоньютон (кН) = 1000 Н меганьютон (МН) = 106 Н
	Энергия, работа, количество теплоты - джоуль (Дж, J) Размерность: Дж = Н·м = кг·м2/с2	килоджоуль (кДж) = 1000 Дж мегаджоуль (МДж) = 106 Дж
	Масса (мера механической инертности тел, т.е. инерционности; мера взаимодействия тел с гравитационным полем)	m	килограмм (кг)
	Сила (мера взаимодействия тел)	F = m · a	ньютон (Н = кг · м / с2)
	Работа (мера воздействия на тело, вызывающего изменение его состояния, в механике - вызывающего перемещение под действием силы, внешней или внутренней)	A = F · s
	Энергия (мера способности тела совершить работу)	E = A	джоуль (Дж = Н · м) кг · м2 / с2
	Кинетическая энергия	E к = m · v 2 / 2
	Потенциальная энергия в гравитационном поле	E п = m · g · Δh, где g - ускорение свободного падения, Δh - разность высот, между которыми переместилось тело массой m.
	Энергия	Е	физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие
	Сила	F	векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций
	Джоуль	J	Работа, произведенная силой в 1 ньютон при перемещении ею тела на расстояние 1 метр в направлении действия

Механическая работа – физическая величина, равная произведению силы на путь, пройденный телом вдоль направления этой силы. Единица измерения работы – 1 джоуль (1 Дж = 1 Н·м).

Энергия тела – физическая величина, показывающая работу, которую может совершить это тело. Энергия измеряется теми же единицами, что и работа – джоулями.

В 1872 г. решением Международной комиссии по эталонам метрической системы за единицу массы была принята масса прототипа килограмма, хранящегося в Национальном архиве Франции. Этот прототип представляет собой платиновую цилиндрическую гирю высотой и диаметром 39 мм. Прототипы килограмма для практического использования были изготовлены из платиноиридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платиноиридиевая гиря, наиболее близкая к массе платинового килограмма Архива. Следует отметить, что масса международного прототипа килограмма несколько отличается от массы кубического дециметра воды. В результате объем 1 литра воды и 1 кубического дециметра не равны друг другу (1л = 1,000028 дм 3). В 1964 г. XII Генеральная конференция по мерам и весам решила приравнять 1 л к 1 дм 3 .

Международный протопит килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по метрам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкого разграничения понятий массы и веса и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.

По решению I Конференции по мерам и весам из 42 изготовленных прототипов килограмма России были переданы платиноиридиевые прототипы килограмма № 12 и № 26. прототип килограмма № 12 был утвержден в 1899 г. в качестве государственного эталона массы факультативно (фунт должен был периодически сличаться с килограммом), а прототип № 26 использоваться в качестве вторичного эталона.

В состав эталона входят:

копия международного прототипа килограмма (№12), представляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма храниться в ВНИИМ им. Д. М. Менделеева (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе. Эталон храниться при поддержание температуры воздуха в пределах (20 ±3) ° С и относительной влажности 65%. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера килограмма. При сличении с международным эталоном килограмма отечественной платиноиридиевой гире приписано значение 1,0000000877 кг;

равноплечие призменные весы на 1 кг. № 1 с дистанционным управлением (с целью исключения влияния оператора на температуру окружающей среды), изготовленные фирмой «Рупрехт», и равноплечие современные призменные весы на 1 кг №2, изготовленные во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева. Весы № 1 и № 2 служат для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам.

Погрешность воспроизведения килограмма, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений 2 . 10 -9 . Удивительная долговечность эталона единицы массы в виде платиноиридиевой гире не связана с тем, что в свое время был найден наименее уязвимый способ воспроизведения килограмма. Отнюдь нет. Уже несколько десятилетий тому назад требования к точности измерений массы превзошли возможности их реализации с помощью действующий эталонов единицы массы. Длительное время продолжаются исследования по воспроизведению массы с помощью известных фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протон, электрон, нейтрон и др.). Однако реальная погрешность воспроизведения больших масс (например, килограмма), привязанных, в частности, к массе покоя нейтрона, пока что существенно больше, чем погрешность воспроизведения килограмма с помощью платиноиридиевой гире. Масса покоя единичной частицы - нейрона составляет 1,6949286 (10)х10 -27 кг и определяется со средним квадратическим отклонением 0,59 . 10 -6 .

Со времени создания прототипов килограмма прошло более 100 лет. За истекший период периодически сличали национальные эталоны с международным эталоном. В Японии созданы специальные весы с применением лазерного луча для регистрации «раскачки» коромысла с эталонной и тарируемой гирями. Обработка результатов ведется с помощью ЭВМ. При этом погрешность воспроизведения килограмма удалось повысить примерно до 10 -10 (по СКО).один комплект подобных весов имеется в Метрологической службе Вооруженных Сил РФ.

Эталон - это мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и передачи единиц какой-либо величины. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называется Государственным эталоном.

Краткая историческая справка

Человеку необходимо описывать окружающую его действительность, причем так, чтобы его понимали другие люди. Именно по этой причине все цивилизации создавали свои системы измерений.

Современная система измерений берет свое начало в XVIII во Франции . Именно тогда комиссия из известнейших ученых предложила свою десятичную метрическую систему мер. Первоначально в метрическую систему входили метр, квадратный метр, кубический метр и килограмм (масса 1 куб. дециметра воды при 4 °C), вместимости - литр, то есть 1 куб. дециметр, площадь земельных участков - ар (100 кв. метров) и тонна (1000 килограммов).

В 1875 году была подписана метрическая конвенция, целью которой было обеспечение международного единства метрической системы. На базе этой метрической системы возникали свои системы и единицы, которые плохо соотносились друг с другом, поэтому в 1960 была принята Международная система единиц SI (СИ). В СИ принято несколько основных единиц измерения: метр, килограмм, ампер, кельвин, кандела, моль, а также дополнительные единицы для измерения углов - радиан и стерадиан.

Эталон массы

Чтобы погрешность измерений была минимальной, ученые создают большие и сложные в эксплуатации комплексы. Тем не менее, эталон массы неизменен - это платиново-иридиевая гиря, изготовленная в 1889 году. Всего было изготовлено 42 эталона, два из которых отправились в Россию .

Эталон килограмма хранится в Санкт-Петербурге , во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева (именно он был инициатором принятия Россией французской метрической системы). Эталон стоит на кварцевой подставке, под двумя стеклянными колпаками (чтобы исключить попадание пыли), внутри стального сейфа. Эталонные весы, которые являются частью эталона, стоят на особом фундаменте. Эта конструкция весит 700 тонн и не связана со стенами здания, чтобы вибрации не искажали измерений.

Температура и влажность поддерживаются на неизменном уровне, а все операции ведутся с помощью манипуляторов, чтобы исключить влияние температуры тела и случайных частыц впроде пылы, при использовании человеческого труда. Погрешность эталона массы России не превышает 0,002 мг.

Сущность измерительной операции осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия, но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.

Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах.

Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.

Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма.

Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.