6

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «Проектирование зданий»

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

РЕФЕРАТ

ПЕРЕОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЙ

Сведения об исполнителе:

,

ИАФ V-3

очное отделение

подпись ____________

Сведения о научном руководителе:

Слесарев М. Ю.

доктор технических наук,

профессор

подпись ____________

WWW.ALLFORMGSU.RU

г. МОСКВА 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ:

Список принятых сокращений стр.3

Ведение стр.4

1.1.Обзор и история вопроса стр.6

1.2.Основные предпосылки стр.9

1.3. Требования к данным, ожидаемым к концу 2011 года стр.11

2.1. Определения единиц стр.12

2.2. Определения единиц в явном виде стр.15

2.2.1. Килограмм стр.15

2.2.2. Ампер стр.15

2.2.3. Кельвин стр.15

2.2.4. Моль стр.16

2.3. Определения с константами в явном виде стр.16

3. Обсуждение проблемы новых определений стр.17

3.1. Сроки введения новых определений стр.17

3.2. Ключевые вопросы стр.19

4. Некоторые последствия, вытекающие из новых определений единиц, для современной метрологии стр.22

4.1. Влияние нового определения килограмма стр.22

4.2. Влияние нового определения ампера стр.23

4.3. Влияние нового определения кельвина стр.23

4.4. Влияние нового определения моля стр.24

Заключение стр.27

Список использованных источников и литературы стр.28

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

CИ – система единиц;

МКМВ (CIPM) – международный комитет по мерам и весам;

ГКМВ (CGPM) – генеральная конференция по мерам и весам;

ККЕ – консультативный комитет по единицам;

МБМВ – международное бюро мер и весов;

CODATA – комитет по данным для науки и техники;

НМИ – национальный метрологический институт;

МТШ – международная температурная шкала.

ВВЕДЕНИЕ

Международная СИ основана на семи основных единицах: метре, килограмме, секунде, ампере, кельвине, моле и канделе, соответствующих семи основным величинам: длине, массе, времени, электрическому току, термодинамической температуре, количеству вещества и силе света. На 94-ом заседании в октябре 2005 г. МКМВ принял рекомендацию о подготовленных шагах к переопределению килограмма, ампера, кельвина и моля так, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным фундаментальным константам: постоянной Планка, h, элементарного заряда, e, постоянной Больцмана, k, и постоянной Авогадро, N_A. Это значит, что шесть из семи основных единиц СИ будут определяться на основе подлинных инвариантов природы. В настоящем реферате приводится история вопроса и достоинства предлагаемых изменений, а также возможные формулировки для четырех новых определений. Принятие новых определений ГКМВ возможно на 24-й ГКМВ в 2011 году.

Цель моего исследования – переопределить основные единицы СИ.

Задачи работы:

1. Рассмотрение истории вопроса, основных предпосылок и требований к данным, ожидаемым к концу 2011 года.

2. Дать определения единиц (килограмма, ампера, кельвина и моля) в явном виде и определения с константами в явном виде.

3. Рассмотреть обсуждение проблем новых определений, сроки их введения и ключевые вопросы.

4. Ознакомление с некоторыми последствиями, вытекающими из новых определений единиц, для современной метрологии и влияние новых определений (килограмма, ампера, кельвина и моля).

Предметами исследования становятся килограмм, ампер, кельвин и моль.

Объектом исследования является переопределение основных единиц СИ, путем применения истинных инвариантов природы.

Методика работы – реферативное исследование. Структура предопределена принятыми задачами. Исследование состоит из введения, основной части, где будут решаться поставленные задачи, заключения, где будут сделаны выводы о проведённой работе, списка использованных источников и литературы. Для исследования была использована информация из зарубежных учебников, журналов, нормативных источников.

1. ОБЗОР И ИСТОРИЯ ВОПРОСА

При формулировке определения для основной единицы, наиболее характерной особенностью, которую стремятся достичь, является то, что конкретная величина, используемая для определения единицы, должна иметь естественный характер, постоянный в пространстве и времени – даже в астрономическом масштабе. В этом аспекте понятно, что в рамках общей теории относительности единицы определяются как «пригодные для использования единицы; они воспроизводятся в локальных экспериментах, в которых релятивистские эффекты, которые необходимо принимать во внимание, относятся к специальной теории относительности» [1]. Другие черты более практичного характера возможно менее важны, но подразумевают следующее: практическая реализация определения основной единицы, должна, в принципе, осуществляться в любом месте, в любое время и с такой точностью, какая требуется для практики при наиболее точных измерениях, хотя признается, что «продвинутая» метрология, которая для этого необходима, может потребовать значительные интеллектуальные и финансовые ресурсы.

Желание применять истинные инварианты природы, которыми, как мы считаем, являются фундаментальные константы физики или свойства атомов, в качестве опорных величин для практических измерений и для определения единиц приводит к развитию новой области, часто называемой «квантовой метрологией». Первоначальные определения метра и килограмма, принятые в 18-м столетии, а также более старой единицы времени – секунды, брали за основу размеры Земли и период ее вращения. Но как заметил в 1870 г. Максвелл (James Clerk Maxwell) [4], они не являются настоящими инвариантами, поскольку «параметры нашей планеты могут измениться, но если характеристики атома изменились бы, он стал бы уже другим атомом». К характеристикам атомов теперь добавятся, конечно, фундаментальные константы природы. Однако существующая в то время технология и научные познания не позволили внедрить принципы Максвелла и, таким образом, Метрическая конвенция 1875 года отдала предпочтение учреждению новых прототипов- артефактов метра и килограмма, которые должны были храниться в МБМВ. 1-я ГКМВ в 1889 году официально утвердила новые прототипы в качестве определений этих единиц [1]. Однако артефактам присущи свои сложности: известно, что в большей или меньшей степени, характеристики артефакта со временем изменяются. Кроме того, артефакты-прототипы не могут быть доступны «любому, в любом месте, в любое время», а доступны только для сличения в лаборатории, в которой этот прототип поддерживается.

Международная система единиц, СИ, основана на семи основных единицах: метре, килограмме, секунде, ампере, кельвине, моле и канделе, соответствующих семи основным величинам: длине, массе, времени, электрическому току, термодинамической температуре, количеству вещества и силе света [1]. Современная ситуация с СИ такова, что из семи основных единиц только секунда и метр непосредственно соотнесены с подлинными инвариантами, секунда определяется на основе периода колебаний излучения при квантовом переходе между линиями сверхтонкой структуры, образующей при расщеплении основного квантового состояния в атоме цезия-133, и метр определяется на основе скорости света в вакууме (также используя секунду).

Кельвин определен со ссылкой на точно определенное термодинамическое состояние воды, которое, будучи несомненно инвариантом природы, обладает термодинамической температурой, в значительной степени зависящей от содержания примесей и изотропного состава используемого образца воды, что усложняет и ограничивает точность, с которой это определение может быть реализовано.

Определения других основных единиц имеет более существенные недостатки. Килограмм до сих пор определяется на основание артефакта, т.е. того же прототипа, одобренного 1-й ГКМВ в 1889 году, масса которого, не может не изменяться со временем, хотя никто не может сказать точно насколько она изменилась. Недостаток определений ампера, моля и канделы происходит большей частью из-за их зависимости от определения килограмма.

Определение килограмма является, таким образом, основным вопросом усовершенствования СИ. Его современное определение, одобренное 3-й ГКМВ, в 1901 году изложено следующим образом: «Килограмм – единица массы; он равен массе международного прототипа килограмма». Международный прототип – цилиндр высотой и диаметром около 39 мм, выполненный из сплава платины и иридия с весовыми долями 90 % и 10 %, соответственно, находящейся в хранилище в МБМВ, в Севре, в предместье Парижа [3]. Хотя международный прототип хорошо выполнил свою функцию в качестве единицы массы, он имеет одно существенное ограничение: он не привязан к инварианту природы. Поэтому возможность переопределения килограмма на основе подлинной природной константы – массы атома или фундаментальной физической константы – обсуждалось в течение, по крайней мере, последней четверти столетия. Действительно, необходимость замены современного определения килограмма, основанного на артефакте, на определение на основе константы, было призвано в 1999 году 21-й ГКМВ в ее Резолюции 7, в которой «рекомендуется национальным лабораториям продолжать работу по совершенствованию экспериментов, которые привяжут единицу массы к фундаментальной или атомной константам, с целью дальнейшего переопределения килограмма» [7].

Дискуссия по возможному переопределению килограмма состоялась на 93-м заседании МКМВ, проходившем в октябре 2004 г.[2], побуждаемая запиской, представленной в МКМВ Т. Квинном после дискуссий в рабочей группе «Единицы, основанные на фундаментальных константах» в Академии наук Франции. МКМВ поставил задачу своему Консультативному комитету по единицам (ККЕ) через президента ККЕ Миллса(Mills), исследовать возможность осуществления нового, основанного на фундаментальных константах, переопределения килограмма, которое могло бы быть принято в будущем, и доложить о результатах этого исследования на 94-м заседании МКМВ в октябре 2005. В начале 2005 году предложили переопределить килограмм, использую в качестве опорной величины либо постоянную Планка, либо постоянную Авогадро, и предположили, что это переопределение могло бы произойти в 2007 году на 23 ГКМВ. Это предложение широко обсуждалось в метрологическом сообществе в течение прошлых 3 лет, особенно на заседаниях ККЕ, других Консультативных комитетов (КК) МКМВ, вышеупомянутой рабочей группы Академии наук, рабочей группы по Фундаментальным константам Комитета по данным для науки и техники (CODATA) и на дискуссионном заседании по фундаментальным константам в физике, прецизионном измерениям и основным единицам СИ, проходившем в Королевском обществе в Лондоне [8]. Несмотря на то, что существовало значительное неприятие предложения о переопределении килограмма на 23-й ГКМВ в 2007 году по причинам, все-таки появилось единодушие в том, что новое переопределение килограмма можно было бы предусмотреть для 24-й ГКМВ в 2011 году, и что, более того, одновременно можно было бы внести изменения в определения ампера, кельвина и моля.

2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Самые существенные предпосылки лежат в основе рекомендаций МКМВ и ККЕ 2005 года. Среди самых важных из них является та, что общая структура существующей СИ, - т.е. современные основные величины СИ и их единицы – должны остаться неизменными. Причина заключается в том, что эти величины СИ и их единицы считаются удовлетворяющими современные и будущие потребности, как метрологического, так и научного сообществ, и призваны и поняты огромному большинству пользователей СИ в мире. Ясно, что такое допущение исключает рассмотрение глобальной реструктуризации СИ, например, замещение массы энергией в качестве основной величины и превращение массы в производную величину, что привело бы к джоулю как основной единице, а килограмму как производной единице, или замещение электрического тока зарядом в качестве основной величины, и превращение электрического тока в производную величину, что привело бы к кулону как основной единице, а амперу как производной единице. Оно также исключает замену наименования и обозначения современной единицы массы СИ, килограмма, kg, новым названием и обозначением, с которым могут применять префиксы СИ. Исторически килограмм, kg, содержит префикс СИ – кило, k, который означает, что другие префиксы СИ не могут использоваться либо с его названием, либо с символом, но должны применяться с названием грамм, g [1].

Вторая предпосылка заключается в том, что не всегда необходимо, чтобы новое определение основной единицы СИ, должно было позволять воспроизведение единицы с уменьшенной неопределенностью. В частности, преимущества, как для метрологии, так и для науки от замены действующего определения килограмма на другое, привязанное к точному значению постоянной Планка h, и действующего определения кельвина на определение, привязанное к точному значению постоянной Больцмана k, можно считать намного более весомыми по сравнению с любым допустимым увеличением в неопределенности реализации единицы массы СИ или термодинамической температуры. В действительности, «неопределенностью» массы, m(K), международного прототипа килограмма по отношению к фундаментальным фактически не известна. Как указано в [5], хотя m(K) может изменяться со временем сравнительно медленно, по отношению к массам распределенного по всему миру ансамбля Pt-Ir эталонов примерно одного возраста – возможно только на 50 µg за столетие – смещение всего ансамбля относительно естественной константы неизвестно на уровне ниже 1 mg за период 100 или даже 50 лет.

Третья предпосылка заключается в том, что единицы, которые должны быть переопределены и константы, к которым они должны быть привязаны, следовало бы выбрать таким образом, чтобы извлечь максимальную пользу, как для науки, так и для метрологии. В этой предпосылке, не полностью независимой от предыдущей, признается существенная проблема современной СИ: она должна служить двум конкурирующим и часто конфликтующим господам. Первый – это «ежедневная коммерция», которому требуется система единиц, одинаково удобная в широком диапазоне от покупки цыпленка в супермаркете до создания Международной космической станции. Второго назовем «квантовая физика», которому требуется система единиц для определения фундаментальных констант, например, постоянной Планка, h, элементарного заряда, e, и характеристик фундаментальных строительных блоков природы, таких как масса электрона, m_e , и его магнитный момент, µ_е. В общем, потребности «первого господина» не требуют наименьших возможных неопределенностей, за исключением, возможно, времени (навигационным системам коммерческих спутников требуются шкалы времени и стабильные часы наивысшей точности), но задачи физики в общем плане, и квантовой физики, в частности, требуют наименьших возможных неопределенностей. Проблема резко высвечивается постановкой следующего вопроса [3]: «Почему изделие из сплава Pt-Ir, выкованное в 19-ом столетии, которое сидит в севрском подвале, должно в 21-ом столетии ограничивать наши познания о значения h и m_e ?»

Четвертая предпосылка заключается в том, что новое определение единицы не должно вносить резкого изменения в значение единицы. Это означает, что выбранные значения констант h, e, k и N_A, используемые в новых определениях, должны быть настолько близки к их значениям в СИ, насколько позволяют современные знания. Смысл в том, что нельзя выбрать, например, значения постоянной Планка и элементарного заряда, h₉₀ и e₉₀, вытекающие из принятых в 1990 году условных значений констант Джозефсона и фон Клитцинга,

K_J-90=2e₉₀/h₉₀=483594,9 ГГц·В^-1 и R_K-90=h₉₀/e²₉₀=25812,807 Ом [9], потому что известно из рекомендованных значений констант CODATA , 2002 года, что

K_J-90 и R_K-90 не пренебрежимо мало отклоняются от наилучших значений постоянных Джозефсона и фон Клитцинга, K_J и R_K, выраженных в единицах СИ [9].

3. ТРЕБОВАНИЯ К ДАННЫМ, ОЖИДАЕМЫМ К КОНЦУ 2011 ГОДА

Значения, рекомендованные CODATA 2002 для h, e, k и N_A следующие [6]:

h=6.6260693 х10^-34J_S [1.7 x 10^-7],

e=1.60217653(14) x 10^-19C [8.5 x 10^-8],

k=1.3806505(24) x 10^-23J K^-1 [1.8 x 10^-6],

N_A=6.0221415(10) x 10²³mol^-1 [1.7 x 10^-7],

где как принято, число в круглых скобках представляет собой численное значение стандартной неопределенности соотнесенное с последними двумя цифрами цитированного значения, а число в квадратных скобках – это соответствующая относительная стандартная неопределенность u_r.

2.1. Определение единиц

Формулировки новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля, которые привязывают эти единицы к точным значениям h, e, k и N_A, соответственно представлены в «таблице 1». Окончательные формулировки любых новых определений, будут выбраны МКМВ для представления ГКМВ и последующего одобрения.

«Таблица 1» Определения килограмма, ампера, кельвина и моля, связывающие эти единицы с точными значениями постоянной Планка h, элементарным зарядом e, постоянной Больцмана k и постоянной Авогадро N_A, соответственно.

Определение основных единиц

Таблица 1

Килограмм	Ампер	Кельвин	Моль
(kg-1а) Килограмм – это масса тела, эквивалентная энергия которого равна энергии некоторого количества фотонов с суммой частот, точно равной [(299792458)2/ 66260693]х1041 Герц (kg-1b) Килограмм – это масса тела, частота де Бройля-Комптона которого точно равна [(299792458)2/ (6,6260693х10-34)] Герц	(А-1) Ампер – это электрический ток, направленный вдоль потока точно 1/(1,60217653х10-19) элементарных зарядов в секунду	(К-1) Кельвин – это изменение термодинамической температуры, которое получается при изменении тепловой энергии kT ровно на 1,380 6505х10-23 джоуля	(моль-1) Моль – это количество вещества системы, содержащей ровно 6,0221415х1023 структурных элементов, которые могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами, другими частицами или определенными группами таких частиц
(kg-2) Килограмм, единицы массы, при условии, что постоянная Планка точно равна 6,6260693х10-34 джоуль·секунда	(А-2) Ампер, единица электрического тока, при условии, что элементарный заряд равен точно 1,60217653х10-19 кулон	(К-2) Кельвин, единица термодинамической температуры, при условии, что постоянная Больцмана равняется 1,3806505х10-19 кулон	(моль-2) Моль, единица количества вещества определенного структурного элемента, которым может быть атом, молекула, ион, электрон, любая другая частица или определенная группа таких частиц, при условии, что постоянная Авогадро равна 6,0221415х1023 на моль

В данной таблице каждое определение в первой строке ясно определяет единицу через конкретную величину того же рода что и единица, и, через простое соотношение, подразумеваемое самим определением или одним или более законами физики, в неявной форме фиксирует значение фундаментальной константы; их называют «определения с единицами в явном виде». Каждое определение во второй строке в прямой форме фиксирует значение фундаментальной константы и, через простое соотношение, подразумеваемое самим определением или одним или более законами физики, в неявной форме определяет единицу; их называют «определения с константами в явном виде». Следует понимать, однако, что альтернативные определения для одной и той же единицы, в действительности, эквивалентны; они представляют собой только различные способы формулирования одного и того же определения.

Все действующие в настоящее время определения основных единиц СИ, могут интерпретироваться как относящиеся к типу определений с единицами в явном виде, хотя «константа», закрепленная в неявном виде каждым определением, не является обязательно традиционной фундаментальной физической константой. Например, современное определение в СИ секунды фиксирует значение Δν(¹³³C_S)_hfs, частоты перехода, обусловленного сверхтонким расщеплением основного квантового состояния в атоме цезия-133, а определение кельвина фиксирует значение T_TPW, термодинамической температуры тройной точки воды. Константы, чьи значения закреплены определениями пяти других основных единиц СИ – метра, килограмма, ампера, моля и канделы следующие: c₀, m(K), µ₀, молярная масса углерода 12, М(¹²С), и спектральная световая эффективность монохроматического излучения частотой 540 х10¹² Гц, K(λ₅₅₅) (длина волны излучения частотой 540х10¹² Гц составляет приблизительно 555 нанометров). Одна сложность, которую имеют такие определения, включая, те, которые приведены в первой строке таблицы 1, и которой нет у определений с константами в явном виде, приведенных в строке два, заключается в том, что постоянная, к которой привязана единица и ее значение, не просматривается явно. Однако в каждом случае преследуется двойная цель, - определить единицу, и зафиксировать значение константы.