110

Історія еталона маси

При введенні метричної системи було сформульовано вимогу до неї щодо опори на «прототипи, взяті з природи». Але на практиці реалізувати цю вимогу виявилося нелегко.

Щодо кілограма, то вже на 3-й CGPM (1901 р.) було зроблено уточнення, що кілограм є одиницею маси, яка дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма – платино-іридієвої гирі (IPK), виготовленої ще в 1799 р. IPK не був природним прототипом, це був артефакт, тобто унікальний витвір рук людини. Слід зазначити, що рішення було непростим і спиралося на численні експерименти, які проводилися в ХІХ сторіччі щодо визначення кілограма як маси 1 дм³ води за температури її максимальної густини (+4 °С). До 1870 р. дослідники переконалися, що кожне нове вимірювання дає різний результат. Посилення контролю за умовами вимірювань, урахування все нових і нових джерел похибок заводили у глухий кут. Тому було прийнято ухвалу, згідно з якою кілограм став дорівнювати масі IPK і втратив зв’язок із метром.

Величезний недолік цього визначення кілограма, яке збереглось і дотепер, полягає в тому, що він визначається через масу артефакту, який через своє походження не може бути абсолютно стабільним, і його властивості з часом тією чи іншою мірою змінюються. Крім того, артефакти-еталони не можуть бути доступні повсюдно в будь-який час і будь-якому місці, а застосовуються лише для звірення в тій лабораторії, де вони зберігаються.

Результати звірень [55] офіційних копій та IРК свідчать про наявність деяких розбіжностей між ними і їх залежність у часі

ЦІ розбіжності становлять близько 50 мкг відносно IРК з часу першої повірки, яка відбулась понад 100 років тому. Дрейф маси самого IРК з 1889 р. не може бути продемонстровано, проте він існує і може бути визначений тільки за допомогою абсолютних експериментів, які дотепер неможливі через необхідність забезпечення високої точності вимірювань. Великий недолік існуючого визначення кілограма полягає також у тому, що невідома величина дрейфу IРK також впливає на інші одиниці, тому що за діючими на сьогодні визначеннями ампер, моль і кандела залежать від кілограма.

На 21-й CGPM (1999 р.) було рекомендовано (Резолюція 7), щоб зусилля із поліпшення експериментів, пов’язаних із визначенням маси через фундаментальні константи, тривали і надалі, маючи за мету майбутнє відтворення кілограма за допомогою квантових ефектів. Подальше перевизначення для забезпечення безперервності значення маси має бути узгоджено в значеннях декількох одиниць на 10^-8 із сьогоднішнім визначенням.

4.2 Типова структура існуючого еталона кілограма і первинний еталон України

Типова структура еталона кілограма, що ґрунтується на існуючому визначенні SІ, включає до себе такі системи:

систему відтворення одиниці маси (набір еталонних гир);

• апаратуру для передавання розміру одиниці (компаратори маси);

• систему визначення параметрів, що впливають на результат вимірювання (довколишнього середовища, магнітної проникності, густини матеріалу і об’єму гир тощо);

• системи живлення і забезпечення умов зберігання і застосування еталона.

У державному еталоні України (рис. 5.2) до складу системи відтворення входять:

• національний прототип одиниці маси 1 кг і 2 еталони-копії, виготовлені з аустенітної неіржавкої сталі спеціального складу;

• набір еталонних гир масою від 1 мг до 5 кг.

Компаратор маси (зважувальний модуль) має у своєму складі:

• автоматизований термостатований компаратор на базі вагів Рупрехта;

• еталонні компаратори: C1000S фірми «Sartorius AG», Німеччина – для передавання одиниці в діапазоні від 100 г до 1 кг; CC50 «Sartorius AG» – з діапазоном від 1 мг до 50 г і СС5001 «Sartorius AG» – з діапазоном понад 1 кг;

• допоміжні пристрої.

Крім того, до складу еталона входять:

• основна і дублююча системи вимірювання параметрів довколишнього середовища;

• вимірювач об’єму гир і магнітної проникності матеріалу гир;

• програмний модуль, який містить у собі програми виконання вимірювань, калібрування, юстування і математичної обробки, а також бази даних.

Розширена невизначеність відтворення маси 1 кг еталона становить 30 мкг (3·10^-8). СКВ передавання одиниці в діапазоні до 100 г становить 2 мкг, в діапазоні до 1000 г – 5 мкг.

Суттєвим недоліком еталона України є відсутність у його складі ІРК-копії прототипа, що знижує його статус (ІРК-копії виготовлюються ВІРМ тільки для країн-членів Метричної конвенції ,підписантом якої Україна ще не стала)

Рис. 5.2 – Структурна схема первинного еталона одиниці маси України

4.3 Необхідність і складність перевизначення кілограма

Наразі IPK зберігається в повітрі під трьома скляними ковпаками в BIPM і являє собою циліндр діаметром і висотою 39 мм, виконаний із сплаву платини та іридію, масова частка яких становить 90 % та 10 % відповідно. Внаслідок неминучого накопичення забруднюючих частинок на поверхні (приблизно 1 мкг на рік) IPK – це об’єкт, поверхня якого повинна очищатися від забруднення. З цією метою CIPM ухвалив, що поки не буде проведено додаткових досліджень, еталонна маса IPK – це маса прототипу після очищення і миття спеціальними методами. Еталон маси, визначений таким чином, використовується для калібрувань національних еталонів маси з платино-іридієвого сплаву [56]. Звірення вторинного еталона маси 1 кг із того самого сплаву, що й IРК, проводять у повітрі з масою IРК за допомогою компаратора з відносною невизначеністю приблизно 2·10^-9. Відносну невизначеність звірення в повітрі артефакту 1 кг із неіржавкої сталі з вторинним еталоном із платино-іридієвого сплаву, з урахуванням корекції на виштовхувальну силу, обмежено значенням 1·10^-8. Результати таких звірень, але виконані у вакуумі, тобто без урахавання впливу виштовхувальної сили, становлять предмет додаткових корекцій у переліку змін маси еталонів між циклами звірень у вакуумі та навколишньому повітрі.

Порівнюючи перевизначення кілограма з перевизначенням інших основних одиниць, слід визнати, що воно є найбільш відповідальним із наступних причин:

- точне зважування і визначення маси є надзвичайно важливими для науки, техніки, торгівлі та промисловості;

- вимоги щодо точності визначення маси дуже високі, наприклад, акредитовані лабораторії мас із гирями класу Е1 зберігають вихідні еталони з відносною похибкою 2,5·10^-8 та 5·10^-8;

- введення визначення через сталу Планка і встановлення її точного значення веде до ризику стрибків приблизно на 10^-7 у значеннях еталонів маси з відповідними наслідками при повірці та калібруванні гир класу Е1 і Е2. Тому затримка надання чинності новому визначенню кілограма є виправданою.