Эталоны основных единиц СИ. Состав и метрологические характеристики. Справочное пособие

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Дополнительные термины и определения

Система физических величин – совокупность взаимосвязанных ФВ, образованная в соответствии с принципами, когда одни ФВ являются независимыми (основными), а другие являются их функциями

– производными ФВ.

Уравнение связи (между величинами) – это математическое соотношение между величинами в данной системе величин, основанное на законах природы и не зависящее от единиц измерения.

Когерентная система единиц – система единиц, состоящая из основных и когерентных производных единиц. Примером когерентной системы единиц является Международная система единиц, SI.

Когерентная единица физической величины – производная еди-

ница ФВ, которая связана с другими единицами системы уравнением, где числовой коэффициент принят равным единице.

Международная система единиц – система единиц ФВ, совре-

менный вариант метрической системы. В 1960 г. XI ГКМВ был принят стандарт, получивший название «Международная система единиц». Во всех странах, где принята данная система, установлено ее международное сокращённое наименование «SI». Основными единицами СИ являются метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела. СИ введена в СССР в качестве предпочтительной с 1 января 1963 г. (ГОСТ 9867-61). В 2009 г. Правительством РФ утверждено Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации, а в 2015 г. в него внесены изменения, касающиеся срока действия некоторых внесистемных единиц.

– 52 –

Сверхтонкая структура – структура уровней энергии атомов, молекул и ионов и соответственно спектральных линий, обусловленная взаимодействием магнитного поля электронов и магнитного момента ядра. В зависимости от возможных взаимных ориентаций спина ядра и спинов электронов энергия этого взаимодействия может принимать разные значения.

Таким образом, сверхтонким расщеплением будем называть расщепление уровней энергии (и спектральных линий) на несколько подуровней, вызываемое таким взаимодействием.

Согласно классическим представлениям, электрон, как и любая движущаяся по круговой орбите заряженная частица, имеет магнитный дипольный момент. Согласно квантовомеханическим представлениям орбитальный угловой момент электрона создаёт определённый магнитный момент. Взаимодействие этого магнитного момента с магнитным моментом ядра, обусловленным ядерным спином, приводит к сверхтонкому расщеплению (т.е. создаёт сверхтонкую структуру). Но электрон также обладает спином, дающим вклад в его магнитный момент. Поэтому сверхтонкое расщепление имеется даже для термов с нулевым орбитальным моментом.

Расстояние между подуровнями сверхтонкой структуры почти на три порядка меньше, чем между уровнями тонкой структуры (такой порядок величины по существу обусловлен отношением массы электрона к массе ядра).

Сверхтонкое расщепление наблюдалось ещё А.А. Майкельсоном (1881), однако было объяснено только после того, как В. Паули (1924) предположил наличие магнитного момента у атомных ядер.

Тройная точка воды – строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз – в твердой, жидкой и газообразной. Тройная точка воды – температура 273,16 К (+0,01°C) и давление 611,657 Па.

Согласно ГОСТ 8.157-75 «Государственная система обеспечения единства измерений. Шкалы температурные практические» темпера-

– 53 –

тура тройной точки воды реализуется в герметичных стеклянных ампулах, где содержится вода высокой чистоты с изотопным составом, соответствующим в значительной мере океанской воде.

Заметные расхождения в значениях температуры тройной точки могут быть обусловлены различным содержанием изотопов в природной воде. В океанской воде содержится около 0,016 моля дейтерия 2Н на 100 молей водорода 1Н; 0,04 моля 17O и 0,2 моля 18О на 100 молей 16О4. Такое содержание тяжелых изотопов по существу является самым высоким из всех, что может встречаться в природной воде. Континентальные воды обычно содержат около 0,015 моля 2Н на 100 молей 1Н; вода, поступающая от полярных снегов, иногда может содержать всего лишь 0,01 моля 2Н на 100 молей 1Н.

Изотопный состав воды может быть слегка изменен во время операции очистки воды, а изотопный состав поверхности раздела вода – лед несколько зависит от технологии охлаждения воды. Изменение изотопного состава воды, вследствие увеличения содержания дейтерия 2Н на 0,001 моля (при расчете на 100 молей 1Н), вызывает повышение температуры тройной точки воды на 0,040 мК. Именно такое расхождение наблюдается между температурами тройных точек океанской и обычной континентальной воды. Максимальное расхождение в температурах тройных точек природной массы составляет 0,250 мК.

В работе [1] отмечено, что определение кельвина через точно заданное значение температуры тройной точки воды связано с действительно инвариантным природным состоянием. Однако ее температура в значительной степени зависит от содержания примесей и изотопного состава данного объема воды. Это ограничивает точность, с которой данное определение может быть реализовано. Кроме того, возможность существования точного (с нулевой неопределенностью)

4 Точнее при температуре тройной точки воды жидкая фаза воды имеет следующий изотопный состав:

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

– 54 –

значения температуры фазового перехода, в том числе и температуры тройной точки воды, подвергается сомнению [2]. В работе Янга и Ли [3] было показано, что в молекулярной системе конечных размеров все термодинамические функции являются аналитическими и не имеют разрывов даже в области фазовых переходов. Переход от одной фазы к другой при изменении температуры происходит формально непрерывно, без скачка, но в очень узкой температурной области, которая воспринимается современными, даже самыми чувствительными термометрами, как одна точка – точка разрыва. Но принципиально размер этой переходной области не равен нулю, и он определяет неустранимое значение неопределенности температуры фазового перехода. Эта неопределенность не связана с измерением температуры фазового перехода, а является неопределенностью самого понятия температуры фазового перехода. И температура основной реперной точки

– тройной точки воды, определяющая значение единицы термодинамической температуры, также имеет ненулевую неопределенность.

Цветовая температура (спектрофотометрическая или колориметрическая температура; измеряется в кельвинах и миредах) – характеристика спектрального состава излучения источника света в оптическом диапазоне. Согласно формуле Планка, цветовая температура определяется как температура АЧТ, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Характеризует относительный вклад излучения данного цвета в излучение источника, видимый цвет источника. Применяется в колориметрии, астрофизике (при изучении распределения энергии в спектрах звёзд).

Абсолютно чёрное тело (АЧТ) – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Таким образом, для АЧТ поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций.

– 55 –

Список литературы

1. Калинин М.И. О предстоящей реформе международной системы единиц

// Главный метролог. – 2017. – 4(97). – С. 64–70.

2.Калинин М.И. Современное состояние работ по переопределению единицы термодинамической температуры // Измерительная техника. – 2010. –

№11. – С. 9.

3.Yang C.N., Lee T.D. Statistical Theory of Equations of State and Phase Tran-

sitions. I. Theory of Condensation // Physical Review. – 1952. – V.87. – № 3. –

P. 404.

– 56 –

Приложение 2

Международные организации по метрологии и их основные функции

ГКМВ – Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) –

одна из трех организаций, учрежденных с целью поддержки международной системы физических единиц, как определено Метрической конвенцией 1875 г. Конференция собирается в Севре каждые 4–6 лет. В состав участников конференции входят 52 государства с полным членством 26 с ассоциированным членством.

МБМВ – Международное бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) – постоянно действующая международная организация (г. Севр, Франция). Учреждено Статьей 1 Метрической конвенции в 1875 г., вместе с подписанием Метрической конвенции. Основной задачей бюро является: обеспечение существования единой системы измерений во всех странах-участницах конвенции. В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой. В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений. По состоянию на март 2016 года 57 стран являлись членами и 41 страна ассоциированными членами МБМВ.

МКМВ – Международный комитет мер и весов (Comité International des Poids et Mesures, CIPM) – международная организа-

ция, учреждённая в соответствии с Метрической конвенцией. Состоит из 18 чел., каждый из которых представляет одну страну участницу. Комитет собирается ежегодно в штаб-квартире МБМВ. В обязанности комитета входят наблюдение за работой МБМВ, координация метрологических исследований в странах-участниках и разработка рекомендаций для ГКМВ.

– 57 –

CODATA – Committee on Data for Science and Technology (Комитет по данным для науки и техники) – междисциплинарный комитет Международного совета по науке, учрежденный в 1966 г., целью которого являются сбор, критическая оценка, хранение и поиск важных данных для задач науки и техники.

Цель Рабочей группы CODATA по ФФК (The CODATA Task Group on Fundamental Constants), учрежденной в 1969 г., состоит в том, чтобы периодически публиковать принятый международным сообществом набор значений ФФК. Первый такой набор CODATA был датирован 1973 г. [1], второй – 1986 г. [2], третий – 1998 г. [3], четвёртый – 2002 г. [4], пятый – 2006 г. [5], шестой – 2010 г. [6] и седь-

мой (текущий) набор – 2014 г. [7] (опубликован 25.06.2015 г. и основан на значениях ФФК, опубликованных в оригинальных работах до 31 декабря 2014 года).

Набор ФФК 2018 г. будет основан на новой ревизии СИ (которая произойдёт в 2018 г.), в данном наборе будут существенно изменены погрешности у ряда констант.

Список литературы

1. Cohen E.R., Taylor B.N. The 1973 Least-Squares Adjustment of the Fundamental Constants // J. Phys. Chem. Ref. Data. – 197 3. – 2(4). – Р. 663–734.

fundamental physical constants: 2006 // Rev. Mod. Phys. – 2008. – 80(2). – Р. 633–730.

6. Mohr P.J., Taylor B.N., Newell D.B. CODATA recommended values of the

– 58 –

Приложение 3

Насыщенное поглощение и принцип стабилизации частоты лазера

Принцип стабилизации. Стабилизация частоты лазера основана на использовании спектральных линий атомного или молекулярного газа (оптические реперы), к центру которых «привязывается» частота с помощью электронной системы автоматической подстройки частоты [1, 2].

Для оптического диапазона используются три метода: метод насыщенного поглощения, двухфотонного резонанса и метод разнесённых оптических полей. Основные результаты по стабилизации частоты лазеров получены с помощью метода насыщенного поглощения, основанного на нелинейном взаимодействии встречных световых волн с газом. Нелинейно поглощающая ячейка с газом низкого давления может находиться внутри резонатора лазера (активный репер) или вне его (пассивный репер). Из-за эффекта насыщения (выравнивание населённостей уровней частиц газа в сильном поле) в центре доплеровски уширенной линии поглощения возникает провал с однородной шириной, которая может быть в 105–10 6 раз меньше доплеровской ширины. В случае внутренней поглощающей ячейки уменьшение поглощения в центре линии приводит к появлению узкого пика на контуре зависимости мощности от частоты генерации. По этим спектральным пикам и происходит стабилизация частоты лазера.

Газовые лазеры, стабилизированные по насыщенному погло-

щению в парах йода. Основными требованиями, которые предъявляются к поглотителю в лазере, являются значительная населенность нижнего состояния; длительное время жизни возбужденного состояния; большая относительная молекулярная масса. Хорошим поглотителем является йод-127 (127I2), спектр поглощения которого в видимой области состоит из переходов из основного состояния X в состояния А, В и И (рис. П3.1). Начало этого спектра лежит в красной области и соответствует диссоциации молекулы на два атома в нор-

– 59 –

мальных состояниях 2Р3/2+, 2Р3/2. Если электронно-колебательный переход происходит на достаточно высокие колебательные уровни, то молекула йода может диссоциировать на атом в нормальном состоянии 2Р3/2 и на возбужденный атом 2Р1/2. Граница схождения системы полос поглощения соответствует диссоциации молекулы на два таких атома. Расстояние от первой границы сплошного спектра в красной области до второй границы равно энергии возбуждения атомного состояния 2Р3/2.

Рис. П3.1. Спектр поглощения 127I2

В результате ядерных квадрупольных взаимодействий в состояниях В и X и магнитных взаимодействий в состоянии В, характерных для молекул йода, линии расщепляются на сверхтонкую структуру. В видимом диапазоне насчитывается около 50000 компонент сверхтонкой структуры 127I2.

Функциональная схема стабилизации частоты He-Ne/127I2-лазера представлена на рис. П3.2. Модуляция частоты излучения лазера осуществляется на первой гармонике опорного генератора системы автоматизированной перестройки частоты, а опорный сигнал синхронного детектора представляет собой третью гармонику. При этих условиях выходной сигнал синхронного детектора соответствует третьей производной контура мощности излучения лазера. Поэтому ме-

– 60 –