طرق بديلة لإعادة تعريف الكيلوجرام
قام المجتمع العلمي بفحص العديد من الأساليب البديلة لإعادة تعريف الكيلوغرام قبل اتخاذ قرار بشأن إعادة تعريف الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات في نوفمبر 2018. كل نهج له مزايا وعيوب.
قبل إعادة التعريف ، تم تحديد الكيلوجرام ، والعديد من وحدات النظام الدولي الأخرى بناءً على الكيلوجرام ، بواسطة جسم معدني اصطناعي يسمى النموذج الأولي الدولي للكيلوغرام . [1] كان هناك اتفاق واسع على ضرورة استبدال التعريف الأقدم للكيلوغرام.
وافقت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) على إعادة تعريف الوحدات الأساسية لنظام SI في نوفمبر 2018 والتي تحدد الكيلوجرام من خلال تحديد ثابت بلانك ليكون بالضبط6.626 070 15 × 10 −34 كجم م 2 ⋅s −1 . يحدد هذا النهج الكيلوجرام بشكل فعال من حيث الثاني والمتر ، ودخل حيز التنفيذ في 20 مايو 2019. [1] [2] [3] [4]
في عام 1960 ، تم إعادة تعريف المقياس ، الذي تم تحديده بالمثل سابقًا بالإشارة إلى قضيب بلاتيني إيريديوم واحد عليه علامتان ، من حيث ثابت فيزيائي ثابت (الطول الموجي لانبعاث معين من الضوء المنبعث من الكريبتون ، [5) ] وبعد ذلك سرعة الضوء ) بحيث يمكن إعادة إنتاج المعيار بشكل مستقل في مختبرات مختلفة باتباع مواصفات مكتوبة.
في الاجتماع الرابع والتسعين للجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) في عام 2005 ، أوصي بأن يتم فعل الشيء نفسه مع الكيلوغرام. [6]
في أكتوبر 2010 ، صوتت CIPM على تقديم قرار للنظر فيه في المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM) ، من أجل "الإحاطة علما بنية" تحديد الكيلوغرام من حيث ثابت بلانك ، h (الذي له أبعاد وقت الطاقة) مع الثوابت الفيزيائية الأخرى. [7] [8] تم قبول هذا القرار من قبل المؤتمر الرابع والعشرين لـ CGPM [9] في أكتوبر 2011 وتمت مناقشته بمزيد من التفصيل في المؤتمر الخامس والعشرين في عام 2014. [10] [11] على الرغم من أن اللجنة أقرت بإحراز تقدم كبير ، وخلصوا إلى أن البيانات لم تظهر بعد قوية بما يكفي لاعتماد التعريف المنقح ، وأن العمل يجب أن يستمر لتمكين التبني في الاجتماع السادس والعشرين ، المقرر عقده في 2018. [10] مثل هذا التعريف سيسمح نظريًا لأي جهاز قادر على تحديد الكيلوجرام من حيث ثابت بلانك لاستخدامه طالما كان يتمتع بالدقة الكافية والدقة والاستقرار. و التوازن اطحن هو أحد السبل القيام بذلك.
كجزء من هذا المشروع ، تم النظر في مجموعة متنوعة من التقنيات والأساليب المختلفة للغاية واستكشافها على مدار سنوات عديدة. استندت بعض هذه الأساليب إلى المعدات والإجراءات التي من شأنها تمكين الإنتاج القابل للتكرار لنماذج أولية جديدة ذات كتلة كيلوغرام عند الطلب باستخدام تقنيات القياس وخصائص المواد التي تستند في النهاية إلى الثوابت الفيزيائية أو يمكن تتبعها. استند البعض الآخر إلى الأجهزة التي تقيس إما تسارع أو وزن كتل اختبار الكيلوغرام المضبوطة يدويًا والتي عبرت عن مقاديرها من الناحية الكهربائية عبر مكونات خاصة تسمح بالتتبع إلى الثوابت الفيزيائية. تعتمد هذه الأساليب على تحويل قياس الوزن إلى كتلة ، وبالتالي تتطلب القياس الدقيق لقوة الجاذبية في المختبرات. جميع الطرق قد ثبتت بدقة واحدًا أو أكثر من ثوابت الطبيعة بقيمة محددة.
توازن كيبل
و التوازن اطحن (المعروف باسم "توازن واط" قبل 2016) هو في جوهره واحد لعموم نطاق وزنها أن التدابير التي اتخذتها الطاقة الكهربائية اللازمة لمعارضة وزن كتلة اختبار كيلوغرام كما يتم سحبها عن طريق الجاذبية الأرضية. إنه اختلاف في توازن الأمبير ، مع خطوة معايرة إضافية تلغي تأثير الهندسة. يتم تحديد الإمكانات الكهربائية في ميزان Kibble بواسطة معيار جهد جوزيفسون ، والذي يسمح بربط الجهد بثابت ثابت في الطبيعة بدقة واستقرار عاليين للغاية. في دائرة المقاومة يتم معايرة ضد تأثير الكم قاعة مستوى المقاومة .
يتطلب ميزان Kibble قياسًا دقيقًا للغاية لتسارع الجاذبية المحلي g في المختبر ، باستخدام مقياس الجاذبية . على سبيل المثال ، عندما يختلف ارتفاع مركز الجاذبية عن ارتفاع كتلة الاختبار القريبة في ميزان كيبل ، فإن NIST تعوض انحدار جاذبية الأرض البالغ 309 ميكروجرام لكل متر ، مما يؤثر على وزن كتلة اختبار كيلوغرام واحد بحوالي 316 ميكروجرام / م.
في أبريل 2007 ، أظهر تنفيذ NIST لتوازن Kibble عدم يقين قياسي نسبي مشترك (CRSU) يبلغ 36 ميكروغرام. [12] [ملاحظة 1] أظهر ميزان Kibble للمختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة أن CRSU يبلغ 70.3 ميكروغرام في عام 2007. [13] تم تفكيك ميزان Kibble هذا وشحنه في عام 2009 إلى المعهد الكندي لمعايير القياس الوطنية (جزء من المجلس القومي للبحوث ) ، حيث يمكن أن يستمر البحث والتطوير مع الجهاز.
يتم استغلال الجاذبية وطبيعة ميزان Kibble ، الذي يتأرجح كتل الاختبار لأعلى ولأسفل مقابل تسارع الجاذبية المحلي g ، بحيث تتم مقارنة القوة الميكانيكية بالقوة الكهربائية ، وهي مربع الجهد مقسومًا على المقاومة الكهربائية. ومع ذلك ، يختلف g بشكل كبير - بنسبة 1٪ تقريبًا - اعتمادًا على مكان القياس على سطح الأرض (انظر جاذبية الأرض ). هناك أيضًا اختلافات موسمية طفيفة في g في موقع ما بسبب التغيرات في منسوب المياه الجوفية ، وتغيرات أكبر نصف شهرية ونهارية بسبب تشوهات المد والجزر في شكل الأرض بسبب القمر والشمس. على الرغم من أن g لن يكون مصطلحًا في تعريف الكيلوجرام ، إلا أنه سيكون حاسمًا في عملية قياس الكيلوجرام عند ربط الطاقة بالطاقة. وفقًا لذلك ، يجب قياس g بدقة ودقة على الأقل مثل المصطلحات الأخرى ، لذلك يجب أيضًا أن تكون قياسات g قابلة للتتبع إلى الثوابت الأساسية للطبيعة. للحصول على أكثر الأعمال دقة في علم قياس الكتلة ، يتم قياس g باستخدام مقاييس الجاذبية المطلقة للكتلة المتساقطة والتي تحتوي على مقياس تداخل لليود الهيليوم والنيون . على هامش إشارة ، التردد الاجتياح يتم قياس الناتج من تداخل مع الروبيديوم ساعة ذرية . نظرًا لأن هذا النوع من مقياس جاذبية الكتلة المتساقطة يستمد دقته واستقراره من ثبات سرعة الضوء بالإضافة إلى الخصائص الفطرية لذرات الهيليوم والنيون والروبيديوم ، فإن مصطلح `` الجاذبية '' في تحديد الكيلوجرام الإلكتروني بالكامل يقاس أيضًا من حيث ثوابت الطبيعة - وبدقة عالية جدًا. على سبيل المثال ، في الطابق السفلي من منشأة Gaithersburg التابعة لـ NIST في عام 2009 ، عند قياس الجاذبية التي تعمل على كتل اختبار Pt ‑ 10Ir (والتي تكون أكثر كثافة وأصغر ولديها مركز ثقل أقل قليلاً داخل ميزان Kibble من كتل الفولاذ المقاوم للصدأ) ، كانت القيمة المقاسة عادةً في حدود 8 جزء في البليون من9،801 016 44 م / ث 2 . [14]
تتمثل ميزة الإنجازات الإلكترونية مثل ميزان كيبل في أن تعريف الكيلوجرام ونشره لم يعد يعتمد على ثبات نماذج الكيلوجرام الأولية ، والتي يجب التعامل معها وتخزينها بعناية فائقة. إنه يحرر الفيزيائيين من الحاجة إلى الاعتماد على افتراضات حول استقرار تلك النماذج الأولية. بدلاً من ذلك ، يمكن ببساطة وزن معايير الكتلة المضبوطة يدويًا والتقريب الوثيق وتوثيقها على أنها تساوي كيلوغرامًا واحدًا بالإضافة إلى قيمة تعويض. مع توازن Kibble ، بينما يتم تحديد الكيلوجرام من الناحية الكهربائية والجاذبية ، وكلها يمكن عزوها إلى ثوابت الطبيعة ؛ يتم تعريفه بطريقة يمكن عزوها مباشرة إلى ثلاثة ثوابت أساسية في الطبيعة. يحدد ثابت بلانك الكيلوجرام بدلالة الثانية والمتر. من خلال تثبيت ثابت بلانك ، يعتمد تعريف الكيلوجرام بالإضافة إلى تعريفات الثانية والمتر فقط. يعتمد تعريف الثانية على ثابت مادي واحد محدد: تردد الانقسام الفائق الدقة للحالة الأرضية لذرة السيزيوم -133 Δ ν ( 133 Cs) hfs . يعتمد العداد على الثاني وعلى ثابت مادي إضافي محدد: سرعة الضوء ج . مع إعادة تعريف الكيلوجرام بهذه الطريقة ، لم تعد الأشياء المادية مثل IPK جزءًا من التعريف ، بل أصبحت معايير نقل بدلاً من ذلك .
تسمح المقاييس مثل ميزان Kibble أيضًا بمزيد من المرونة في اختيار المواد ذات الخصائص المرغوبة بشكل خاص لمعايير الكتلة. على سبيل المثال ، يمكن الاستمرار في استخدام Pt 10Ir بحيث تكون الثقل النوعي لمعايير الكتلة المنتجة حديثًا مماثلة لمعايير الفحص الأولية الوطنية الحالية (≈21.55 جم / مل). هذا من شأنه أن يقلل من عدم اليقين النسبي عند إجراء مقارنات جماعية في الهواء . بدلاً من ذلك ، يمكن استكشاف مواد وإنشاءات مختلفة تمامًا بهدف إنتاج معايير جماعية ذات استقرار أكبر. على سبيل المثال ، يمكن التحقيق في سبائك الأوزميوم والإيريديوم إذا ثبت أن ميل البلاتين لامتصاص الهيدروجين (بسبب تحفيز المركبات العضوية المتطايرة ومذيبات التنظيف القائمة على الهيدروكربون) والزئبق الجوي هما مصدر عدم الاستقرار. أيضًا ، يمكن فحص الطلاءات الخزفية الواقية المترسبة بالبخار مثل النيتريد لمعرفة مدى ملاءمتها لعزل هذه السبائك الجديدة كيميائيًا.
لا يكمن التحدي في موازين كيبل في تقليل عدم اليقين فحسب ، بل أيضًا في جعلها تحقيقًا عمليًا حقيقيًا للكيلوغرام. تتطلب كل جوانب موازين Kibble تقريبًا ومعداتها الداعمة مثل هذه التقنية الدقيقة للغاية والدقيقة والحديثة التي - على عكس جهاز مثل الساعة الذرية - يختار عدد قليل من البلدان حاليًا تمويل عملياتها. على سبيل المثال ، استخدم ميزان Kibble الخاص بـ NIST أربعة معايير مقاومة في عام 2007 ، تم تدوير كل منها من خلال ميزان Kibble كل أسبوعين إلى ستة أسابيع بعد معايرتها في جزء مختلف من منشأة مقر NIST في Gaithersburg ، ميريلاند . لقد وجد أن نقل معايير المقاومة ببساطة إلى أسفل القاعة إلى ميزان Kibble بعد المعايرة يغير قيمها بمقدار 10 جزء في البليون (ما يعادل 10 ميكروغرام) أو أكثر. [15] التكنولوجيا الحالية غير كافية للسماح بالتشغيل المستقر لأرصدة Kibble بين المعايرات نصف السنوية. عندما يصبح التعريف الجديد ساري المفعول ، فمن المحتمل أن يكون هناك القليل - على الأكثر - أرصدة Kibble التي تعمل مبدئيًا في العالم.
طرق بديلة لإعادة تعريف الكيلوجرام
تم استكشاف العديد من الطرق البديلة لإعادة تعريف الكيلوغرام التي كانت تختلف اختلافًا جوهريًا عن توازن كيبل بدرجات متفاوتة ، مع التخلي عن بعضها. كان مشروع Avogadro ، على وجه الخصوص ، مهمًا لقرار إعادة التعريف لعام 2018 لأنه قدم قياسًا دقيقًا لثابت بلانك الذي كان متسقًا مع طريقة توازن كيبل ومستقلًا عنها. [16] تضمنت المناهج البديلة ما يلي:
نهج العد الذري
مشروع أفوجادرو
آخر نهج أفوجادرو على أساس ثابت، والمعروفة باسم أفوجادرو التنسيق الدولي الصورة مشروع أفوجادرو أن، تحديد وترسيم كيلوغرام بمثابة 93.6 مم مجال السيليكون الذرات. تم اختيار السيليكون لأن البنية التحتية التجارية ذات التكنولوجيا الناضجة لإنتاج سيليكون أحادي البلورية خالٍ من العيوب ، فائق النقاء موجود بالفعل ، عملية Czochralski ، لخدمة صناعة أشباه الموصلات .
لعمل إدراك عملي للكيلوغرام ، سيتم إنتاج بولي سيليكون (سبيكة تشبه قضيب ، بلورة أحادية). في النظائر سيقاس تكوين مع مطياف الكتلة لتحديد متوسط الكتلة الذرية النسبية. سيتم قطع الكرة ، وطحنها ، وصقلها إلى كرات. يمكن قياس حجم الكرة المختارة باستخدام قياس التداخل البصري لدرجة عدم يقين تبلغ حوالي 0.3 نانومتر على نصف القطر - طبقة ذرية واحدة تقريبًا. سيتم قياس المسافات الشبكية الدقيقة بين الذرات في هيكلها البلوري (≈ 192 م) باستخدام مقياس التداخل بالأشعة السينية . يسمح ذلك بتحديد تباعدها الذري بدرجة عدم يقين تبلغ ثلاثة أجزاء فقط في المليار. مع حجم الكرة ، ومتوسط كتلتها الذرية ، وتباعدها الذري المعروف ، يمكن حساب قطر الكرة المطلوب بدقة كافية وعدم اليقين المنخفض لتمكين صقله النهائي إلى كتلة مستهدفة قدرها كيلوغرام واحد.
يتم إجراء التجارب على كرات السيليكون لمشروع Avogadro لتحديد ما إذا كانت كتلها أكثر استقرارًا عند تخزينها في فراغ أو فراغ جزئي أو ضغط محيط. ومع ذلك ، لا توجد وسائل تقنية حاليًا لإثبات استقرار طويل الأجل أفضل من استقرار IPK ، لأن القياسات الأكثر حساسية ودقة للكتلة تتم باستخدام موازين مزدوجة المقلاة مثل توازن الشريط المرن FB 2 الخاص بـ BIPM (انظر § روابط خارجية أدناه). يمكن للموازين فقط مقارنة كتلة كرة من السيليكون مع كتلة مرجعية. بالنظر إلى الفهم الأخير لنقص الاستقرار الشامل على المدى الطويل مع IPK ونسخه المقلدة ، لا توجد قطعة أثرية معروفة ومستقرة تمامًا للمقارنة بها. المقاييس أحادية المقلاة ، التي تقيس الوزن بالنسبة إلى ثابت الطبيعة ، ليست دقيقة بالنسبة لعدم اليقين الضروري على المدى الطويل من 10 إلى 20 جزءًا في المليار. هناك مشكلة أخرى يجب التغلب عليها وهي أن السيليكون يتأكسد ويشكل طبقة رقيقة (تعادل عمق 5-20 ذرة سيليكون) من ثاني أكسيد السيليكون ( الكوارتز ) وأول أكسيد السيليكون . تزيد هذه الطبقة من كتلة الكرة قليلاً ، وهو تأثير يجب أن يؤخذ في الحسبان عند تلميع الكرة إلى حجمها النهائي. الأكسدة ليست مشكلة مع البلاتين والإيريديوم ، وكلاهما من المعادن النبيلة التي هي تقريبًا كاثودية مثل الأكسجين وبالتالي لا تتأكسد ما لم يتم إقناعها للقيام بذلك في المختبر. إن وجود طبقة أكسيد رفيعة على نموذج أولي لكتلة كرة السيليكون يضع قيودًا إضافية على الإجراءات التي قد تكون مناسبة لتنظيفها لتجنب تغيير سمك الطبقة أو قياس العناصر المتكافئة للأكسيد .
تعمل جميع الأساليب القائمة على السيليكون على إصلاح ثابت أفوجادرو ولكنها تختلف في تفاصيل تعريف الكيلوجرام. أحد الأساليب هو استخدام السيليكون مع وجود نظائره الطبيعية الثلاثة. يحتوي حوالي 7.78٪ من السيليكون على نظيرين أثقل: 29 Si و 30 Si. كما هو موضح في § Carbon-12 أدناه ، ستحدد هذه الطريقة حجم الكيلوجرام من حيث عدد معين من 12 ذرة C عن طريق تثبيت ثابت Avogadro ؛ سيكون مجال السيليكون هو الإدراك العملي . يمكن لهذا النهج أن يحدد بدقة حجم الكيلوغرام لأن كتل نويدات السيليكون الثلاثة بالنسبة لـ 12 درجة مئوية معروفة بدقة كبيرة (شكوك نسبية تبلغ 1 جزء في البليون أو أفضل). تقترح طريقة بديلة لإنشاء كيلوغرام قائم على كرة السيليكون استخدام تقنيات فصل النظائر لإثراء السيليكون حتى يصبح نقيًا تقريبًا 28 Si ، والذي يحتوي على كتلة ذرية نسبية من 27.976 926 5325 (19) . [17] مع هذا النهج ، لن يتم إصلاح ثابت أفوجادرو فقط ، ولكن أيضًا الكتلة الذرية لـ 28 Si. على هذا النحو ، سيتم فصل تعريف الكيلوجرام عن 12 درجة مئوية وسيتم تعريف الكيلوجرام بدلاً من ذلك على أنه1000/27.976 926 5325 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 ذرة 28 سي (≈740 35.743 43 مول ثابت من 28 ذرة Si). يمكن أن يختار الفيزيائيون تعريف الكيلوجرام بدلالة 28 Si حتى عندما تكون نماذج الكيلوجرام الأولية مصنوعة من السيليكون الطبيعي (جميع النظائر الثلاثة موجودة). حتى مع تعريف الكيلوغرام على أساس 28 Si النقي نظريًا ، فإن نموذجًا أوليًا من كرة السيليكون مصنوع من 28 Si فقط ينحرف بشكل طفيف عن العدد المحدد من مولات السيليكون للتعويض عن الشوائب الكيميائية والنظيرية المختلفة بالإضافة إلى تأثير أكاسيد السطح. [18]
الكربون 12
على الرغم من أنه لا يقدم إدراكًا عمليًا ، إلا أن هذا التعريف سيحدد بدقة حجم الكيلوغرام من حيث عدد معين من ذرات الكربون ‑ 12 . الكربون ‑ 12 ( 12 درجة مئوية) هو نظير للكربون. يُعرَّف الخلد حاليًا بأنه "كمية الكيانات (الجسيمات الأولية مثل الذرات أو الجزيئات) التي تساوي عدد الذرات في 12 جرامًا من الكربون ‑ 12". وبالتالي ، فإن التعريف الحالي للشامة يتطلب ذلك 1000/12 حيوانات الخلد ( 83+1/3 mol) لـ 12 C كتلته بالضبط كيلوغرام واحد. عدد الذرات في الخلد ، وهي كمية تعرف باسم ثابت أفوجادرو ، يتم تحديدها تجريبيًا ، وأفضل تقدير حالي لقيمتها هو6.022 140 76 × 10 23 وحدة لكل مول. [19] اقترح هذا التعريف الجديد للكيلوغرام إصلاح ثابت أفوجادرو بدقة6.022 14 X × 10 23 مول −1 مع تعريف الكيلوجرام بأنه "الكتلة تساوي كتلة1000/12 ⋅ 6،022 14 X × 10 23 ذرة من 12 C ".
إن دقة القيمة المقاسة لثابت أفوجادرو محدودة حاليًا بسبب عدم اليقين في قيمة ثابت بلانك . كان عدم اليقين المعياري النسبي هذا 50 جزءًا في المليار (ppb) منذ عام 2006. ومن خلال تثبيت ثابت Avogadro ، فإن التأثير العملي لهذا الاقتراح هو أن عدم اليقين في كتلة ذرة 12 درجة مئوية - وحجم الكيلوغرام - يمكن أن لن تكون أفضل من نسبة عدم التيقن الحالية البالغة 50 جزء في البليون في ثابت بلانك. بموجب هذا الاقتراح ، سيخضع حجم الكيلوغرام للتنقيح في المستقبل مع توفر قياسات محسّنة لقيمة ثابت بلانك ؛ ستتم إعادة معايرة الإدراك الإلكتروني للكيلوغرام حسب الحاجة. على العكس من ذلك ، فإن التعريف الإلكتروني للكيلوغرام (انظر § المناهج الإلكترونية أدناه) ، والذي من شأنه أن يثبت بدقة ثابت بلانك ، سيستمر في السماح 83+1/3المولات التي تبلغ 12 درجة مئوية لها كتلة تساوي كيلوغرام واحد على وجه التحديد ، لكن عدد الذرات التي تتكون من مول (ثابت أفوجادرو) سيظل خاضعًا للتنقيح في المستقبل.
يقترح الاختلاف في تعريف قائم على 12 C تعريف ثابت أفوجادرو على أنه دقيق84 446 889 3 (≈ 6.022 141 62 × 10 23 ) ذرة. سيكون الإدراك التخيلي لنموذج أولي للكتلة يبلغ وزنه 12 جرامًا مكعبًا مكونًا من 12 ذرة مئوية للقياس بدقة84 446 889 الذرات عبر على الجانب. مع هذا الاقتراح ، سيتم تعريف الكيلوجرام على أنه "الكتلة تساوي84 446 889 3 × 83+1/3ذرة من 12 درجة مئوية " [20] [الملاحظة 3]
تراكم الأيونات
نهج آخر قائم على Avogadro ، تراكم الأيونات ، منذ التخلي عنه ، كان سيحدد ويرسم الكيلوجرام من خلال إنشاء نماذج أولية معدنية بدقة عند الطلب. كان من الممكن أن تفعل ذلك عن طريق تجميع أيونات الذهب أو البزموت (ذرات مجردة من الإلكترون) وعدها عن طريق قياس التيار الكهربائي المطلوب لتحييد الأيونات. تم اختيار الذهب ( 197 Au) والبزموت ( 209 Bi) لأنه يمكن التعامل معها بأمان ولهما أعلى كتلتين ذريتين من بين العناصر أحادية النواة المستقرة (الذهب) أو بشكل فعال (البزموت). [ملاحظة 4] انظر أيضًا جدول النويدات .
مع تعريف الكيلوجرام المستند إلى الذهب على سبيل المثال ، يمكن تحديد الكتلة الذرية النسبية للذهب بدقة 196.966 5687 ، من القيمة الحالية لـ196.966 5687 (6) . كما هو الحال مع التعريف القائم على الكربون ‑ 12 ، كان من الممكن أيضًا إصلاح ثابت أفوجادرو. عندئذٍ ، تم تعريف الكيلوجرام على أنه "الكتلة المساوية للكتلة بدقة1000/196.966 5687 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 ذرة ذهب "(على وجه التحديد 3.057.443.620.887.933.963.384.315 ذرة ذهب أو حوالي5.077 003 71 مول ثابت).
في عام 2003 ، أجريت تجارب ألمانية على الذهب بتيار فقط أظهر 10 μA عدم يقين نسبي قدره 1.5٪. [22] من المتوقع أن تتراكم التجارب اللاحقة باستخدام أيونات البزموت والتيار البالغ 30 مللي أمبير كتلة 30 جم في ستة أيام وأن يكون عدم اليقين النسبي أفضل من 1 جزء في المليون. [23] في النهاية ، أثبتت مناهج تراكم الأيونات أنها غير مناسبة. تطلبت القياسات شهورًا وثبت أن البيانات غير منتظمة للغاية بحيث لا يمكن اعتبار التقنية بديلاً قابلاً للتطبيق في المستقبل لـ IPK. [24]
من بين التحديات التقنية العديدة لجهاز ترسيب الأيونات ، كان الحصول على تيار أيوني مرتفع بدرجة كافية (معدل ترسيب الكتلة) مع إبطاء الأيونات في نفس الوقت حتى يتمكنوا جميعًا من الإيداع على قطب كهربائي مستهدف مضمن في وعاء التوازن. أظهرت التجارب على الذهب أنه يجب إبطاء تسارع الأيونات إلى طاقات منخفضة جدًا لتجنب تأثيرات الرش ، وهي ظاهرة ارتدت فيها الأيونات التي تم حسابها بالفعل من القطب المستهدف أو حتى إزاحة الذرات التي تم ترسيبها بالفعل. اقترب الكسر الكتلي المترسب في التجارب الألمانية لعام 2003 فقط من 100٪ عند طاقات أيونية أقل من حوالي1 فولت (< 1 كم / ثانية للذهب). [22]
إذا تم تعريف الكيلوجرام على أنه كمية دقيقة من ذرات الذهب أو البزموت المودعة بتيار كهربائي ، فلن يكون فقط ثابت أفوجادرو والكتلة الذرية للذهب أو البزموت محددًا بدقة ، ولكن أيضًا قيمة الشحنة الأولية ( هـ ) ، على الأرجح1.602 17 X × 10 −19 C (من القيمة الموصى بها حاليًا لـ1.602 176 634 × 10 19 ج [25] ). سيؤدي القيام بذلك إلى تعريف الأمبير على أنه تدفق 1/1،602 17 X × 10 -19الإلكترونات في الثانية بعد نقطة ثابتة في دائرة كهربائية. كان من الممكن تحديد وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات (SI) بشكل كامل من خلال تحديد قيم ثابت أفوجادرو والشحنة الأولية بدقة ، ومن خلال استغلال حقيقة أن الكتل الذرية من البزموت وذرات الذهب هي ثوابت عالمية ثابتة من الطبيعة.
إلى جانب البطء في صنع معيار كتلة جديد وضعف التكاثر ، كانت هناك أوجه قصور جوهرية أخرى في نهج تراكم الأيونات التي ثبت أنها عقبات هائلة أمام التقنيات القائمة على التراكم الأيوني لتصبح إدراكًا عمليًا. تطلب الجهاز بالضرورة أن تحتوي غرفة الترسيب على نظام توازن متكامل لتمكين المعايرة الملائمة لكمية معقولة من معايير النقل بالنسبة إلى أي نموذج أولي واحد داخلي ترسبه الأيونات. علاوة على ذلك ، فإن النماذج الأولية الجماعية التي تنتجها تقنيات الترسيب الأيوني لن تكون مثل النماذج الأولية القائمة بذاتها من البلاتين الإيريديوم المستخدمة حاليًا ؛ كان من الممكن أن يتم ترسيبهما على قطب كهربائي مُدمج في وعاء واحد بميزان خاص مدمج في الجهاز ويصبح جزءًا منه. علاوة على ذلك ، فإن الكتلة المترسبة الأيونات لن يكون لها سطح صلب شديد التلميع يمكن تنظيفه بقوة مثل تلك الموجودة في النماذج الأولية الحالية. الذهب ، على الرغم من كثافته ونبيله (مقاوم للأكسدة وتشكيل المركبات الأخرى) ، فهو شديد النعومة لذا يجب الاحتفاظ بالنموذج الأولي للذهب الداخلي معزولًا جيدًا ونظيفًا بدقة لتجنب التلوث واحتمال التآكل من الاضطرار إلى الإزالة التلوث الاشعاعي. البزموت ، وهو معدن غير مكلف يستخدم في الجنود ذوي درجات الحرارة المنخفضة ، يتأكسد ببطء عند تعرضه لهواء درجة حرارة الغرفة ويشكل مركبات كيميائية أخرى ، وبالتالي لن ينتج كتل مرجعية مستقرة ما لم يتم صيانته باستمرار في فراغ أو جو خامل.
قوة أساسها أمبير
سيحدد هذا النهج الكيلوجرام بأنه "الكتلة التي سيتم تسريعها بدقة 2 × 10 7 م / ث 2 عند تعرضها للقوة لكل متر بين موصلين متوازيين مستقيمين بطول لانهائي ، بمقطع عرضي دائري مهمل ، موضوعة على مسافة متر واحد في الفراغ ، والتي من خلالها تتدفق تيار ثابت من 1/1.602 17 × 10−19 الرسوم الأولية في الثانية ".
على نحو فعال ، سيعرف هذا الكيلوجرام على أنه مشتق من الأمبير بدلاً من العلاقة الحالية ، التي تحدد الأمبير كمشتق من الكيلوجرام. ستحدد إعادة تعريف الكيلوجرام هذه الشحنة الأولية ( e ) بدقة 1.602 17 × 10−19 كولوم بدلاً من القيمة الحالية الموصى بها1،602 176 634 × 10 -19 C . [25] ويترتب على ذلك بالضرورة أن الأمبير (واحد كولوم في الثانية) سيصبح أيضًا تيارًا كهربائيًا بهذه الكمية الدقيقة من الشحنات الأولية في الثانية التي تمر بنقطة معينة في دائرة كهربائية. تتمثل ميزة الإدراك العملي القائم على هذا التعريف في أنه على عكس ميزان كيبل والطرق الأخرى القائمة على المقياس ، والتي تتطلب جميعها توصيفًا دقيقًا للجاذبية في المختبر ، فإن هذه الطريقة تحدد حجم الكيلوغرام مباشرةً في المصطلحات نفسها تحديد طبيعة الكتلة: التسارع الناتج عن القوة المطبقة. لسوء الحظ ، من الصعب للغاية تطوير إدراك عملي قائم على تسريع الجماهير. لم تحقق التجارب على مدى سنوات في اليابان باستخدام كتلة فائقة التوصيل ، 30 جم مدعومة بارتفاع مغناطيسي ، درجة عدم يقين أفضل من عشرة أجزاء في المليون. كان التباطؤ المغناطيسي أحد المشكلات المقيدة. أجرت مجموعات أخرى أبحاثًا مماثلة استخدمت تقنيات مختلفة لرفع الكتلة. [26] [27]
ملاحظات
- ^ عدم اليقين المعياري النسبي المشترك (CRSU) لهذه القياسات ، كما هو الحال مع جميع التفاوتات والشكوك الأخرى في هذه المقالة ما لم يُذكر خلاف ذلك ، هي عند انحراف معياري واحد (1 σ ) ، وهو ما يعادل مستوى ثقة يبلغ حوالي 68٪ ؛ أي أن 68٪ من القياسات تقع ضمن التسامح المعلن.
- ^ الكرة الموضحة في الصورة لها قيمة خارج الاستدارة (من الذروة إلى الوادي في نصف القطر) تبلغ 50 نانومتر. وفقًا لـ ACPO ، فقد قاموا بتحسين ذلك مع خارج دائري يبلغ 35 نانومتر. على كرة بقطر93.6مم ، يكون خارج الاستدارة 35 نانومتر (انحراف ± 17.5 نانومتر عن المتوسط) هو استدارة جزئية (∆ r / r ) =3.7 × 10 −7 . بمقياس حجم الأرض ، يعادل هذا أقصى انحراف عن مستوى سطح البحر يبلغ 2.4 مترفقط. تم تجاوز استدارة هذا المجال ACPO فقط من قبل اثنين من الأربعة تنصهر الكوارتز الدوارات جيروسكوب جوا على الجاذبية التحقيق B ، التي تم تصنيعها في أواخر 1990s، ونظرا الرقم النهائي في WW هانسن التجريبية مختبر فيزياء في جامعة ستانفورد . بشكل خاص، "الدوران 4" يتم تسجيلها في موسوعة جينيس قاعدة بيانات الأرقام القياسية العالمية (قاعدة البيانات الخاصة بهم، وليس في كتابهم) كما في مستدير جسم من صنع الإنسان في العالم. وفقًا لتقرير منشور ( 221 كيلوبايت PDF ، هنا أرشفة 2008-02-27 في آلة Wayback ) ومنسق الشؤون العامة GP B في جامعة ستانفورد ، من بين الجيروسكوبات الأربعة الموجودة على المسبار ، فإن Gyro 4 لديه أقصى تموج سطحي من كرة مثالية من 3.4 ± 0.4 نانومتر على 38.1 المجال قطرها ملم، وهو Δ ص / ص =1.8 × 10 −7 . بمقياس حجم الأرض ، يعادل هذا انحرافًا عن حجم أمريكا الشمالية يرتفع ببطء بعيدًا عن سطح البحر (في مدرجات الطبقة الجزيئية بارتفاع11.9سم) ، ويصل ارتفاعه الأقصى إلى 1.14 ± 0.13 متر في نبراسكا ، ثم ينحدر تدريجياً إلى مستوى سطح البحر على الجانب الآخر من القارة.
- ^ كان الاقتراح في الأصل هو إعادة تعريف الكيلوجرام على أنه كتلة84 446 886 3 الكربون 12 الذرات. [21] القيمة84 446 886 قد تم اختياره لأنه له خاصية خاصة؛ مكعبها (القيمة الجديدة المقترحة لثابت أفوجادرو) قابل للقسمة على اثني عشر. وهكذا مع هذا التعريف للكيلوغرام ، سيكون هناك عدد صحيح من الذرات في غرام واحد من 12 درجة مئوية:50 184 508 190 229 061 679 538 الذرات. ضاقت حالة عدم اليقين في ثابت أفوجادرو إلى حد كبير منذ تقديم هذا الاقتراح لأول مرة إلى American Scientist للنشر. قيمة كوداتا 2014 لثابت أفوجادرو (6،022 140 857 (74) × 10 23 ) لديه اليقين المعياري النسبي من 12 أجزاء في البليون والجذر التكعيبي هذا العدد هو84 446 885 0،41 (35) ، أي عدم وجود الأعداد الصحيحة في نطاق عدم اليقين.
- ^ في عام 2003 ، وهو نفس العام الذي أجريت فيه تجارب ترسيب الذهب الأولى ، وجد الفيزيائيون أن النظير الطبيعي الوحيد للبزموت ، 209 بي ، هو في الواقع مشع قليلًا جدًا، مع أطول نصف عمر مشع معروفلأي عنصر يحدث بشكل طبيعي تتحلل عبر إشعاع ألفا — نصف عمر(19 ± 2) × 10 18 سنة . نظرًا لأن هذا يزيد عن 1.4 مليار مرة من عمر الكون ، فإن 209 Bi يعتبر نظيرًا مستقرًا لمعظم التطبيقات العملية (تلك التي لا علاقة لها بالتخصصات مثل علم التاريخ النووي وعلم التاريخ الجغرافي ). بعبارات أخرى ،99.999 999 983 ٪ من البزموت التي كانت موجودة على الأرض منذ سنوات 4567000000 لا يزال موجودا اليوم. عنصران أحاديان النواة أثقل من البزموت وواحد فقط يقترب من استقراره: الثوريوم . يعتبر الثوريوم منذ فترة طويلة بديلاً محتملاً لليورانيوم في المفاعلات النووية ، ويمكن أن يسبب السرطان عند استنشاقه لأنه يزيد نشاطه الإشعاعي بمقدار 1.2 مليار مرة عن البزموت. كما أن لديها ميلًا قويًا للأكسدة لدرجة أن مساحيقها قابلة للاشتعال . هذه الخصائص تجعل الثوريوم غير مناسب في تجارب ترسيب الأيونات. انظر أيضا نظائر البزموت ، نظائر الذهب و نظائر الثوريوم .
مراجع
- ^ أ ب ريسنيك ، بريان (20 مايو 2019). "الكيلوغرام الجديد ظهر للتو. إنه إنجاز هائل" . vox.com . تم الاسترجاع 23 مايو 2019 .
- ^ مشروع القرار أ "بشأن مراجعة النظام الدولي للوحدات (SI)" لتقديمه إلى CGPM في اجتماعها السادس والعشرين (2018) (PDF)
- ^ القرار CIPM / 105-13 (أكتوبر 2016) . اليوم هو الذكرى الـ 144 لاتفاقية المتر .
- ^ بالاب غوش (16 نوفمبر 2018). "كيلوغرام يحصل على تعريف جديد" . بي بي سي نيوز . تم الاسترجاع 16 نوفمبر ، 2018 .
- ^ المكتب الدولي للأوزان والمقاييس (2006) ، النظام الدولي للوحدات (SI) (PDF) (الطبعة الثامنة) ، ص. 112 ، ردمك 92-822-2213-6، مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 2017-08-14
- ^ التوصية 1: خطوات تحضيرية نحو تعريفات جديدة للكيلوغرام والأمبير والكلفن والمول من حيث الثوابت الأساسية (PDF) . الاجتماع 94 للجنة الدولية للأوزان والمقاييس. أكتوبر 2005. ص. 233. مؤرشفة (PDF) من النسخة الأصلية في 30 يونيو 2007 . تم الاسترجاع 7 فبراير ، 2018 .
- ^ "NIST تدعم اقتراح نظام مجدد لوحدات القياس" . Nist.gov. 26 أكتوبر 2010 . تم الاسترجاع 3 أبريل ، 2011 .
- ^ إيان ميلز (29 سبتمبر 2010). "مشروع الفصل 2 لكتيب SI ، بعد إعادة تعريف الوحدات الأساسية" (PDF) . CCU . تم الاسترجاع 1 يناير ، 2011 .
- ^ القرار 1 - بشأن المراجعة المستقبلية المحتملة للنظام الدولي للوحدات ، SI (PDF) . الاجتماع الرابع والعشرون للمؤتمر العام للأوزان والمقاييس. سيفر ، فرنسا. 17-21 أكتوبر 2011 . تم الاسترجاع 25 أكتوبر ، 2011 .
- ^ أ ب "BIPM - القرار 1 من CGPM 25" . www.bipm.org . تم الاسترجاع 2017/03/27 .
- ^ "المؤتمر العام للأوزان والمقاييس يوافق على التغييرات المحتملة في النظام الدولي للوحدات ، بما في ذلك إعادة تعريف الكيلوغرام" (PDF) (خبر صحفى). سيفر ، فرنسا: المؤتمر العام للأوزان والمقاييس . 23 أكتوبر 2011 . تم الاسترجاع 25 أكتوبر ، 2011 .
- ^ شتاينر ، ريتشارد إل. ويليامز ، إدوين ر. ليو ، رويمين ؛ نيويل ، ديفيد ب. (2007). "تحسينات عدم اليقين في كيلوغرام NIST الإلكتروني" . معاملات IEEE على الأجهزة والقياس . 56 (2): 592-596. دوى : 10.1109 / TIM.2007.890590 . ISSN 0018-9456 .
- ^ "قياس أولي لثابت بلانك باستخدام ميزان NPL Mark II بالواط" ، IA Robinson et al. ، Metrologia 44 (2007) ، 427-440 ؛
NPL: رصيد NPL Kibble - ^ ر.شتاينر ، واتس في ميزان واط ، نيست ، 16 أكتوبر 2009.
- ^ ر.شتاينر ، لا FG-5؟ ، NIST ، 30 نوفمبر 2007. "نقوم بالتناوب بين حوالي 4 معايير مقاومة ، ننتقل من معمل المعايرة إلى مختبري كل 2-6 أسابيع. المقاومات لا تنتقل بشكل جيد ، وأحيانًا تتحول عند كل عملية نقل بمقدار 10 جزء في البليون أو أكثر."
- ^ ^ ليم ، شياوتشي (16 نوفمبر 2018). "الكيلوجرام ميت. يعيش الكيلوجرام!" . نيويورك تايمز .
ثابت أفوجادرو وثابت بلانك متشابكان في قوانين الفيزياء. بعد قياس ثابت أفوجادرو ، يمكن للدكتور بيتين أن يشتق ثابت بلانك. وباستخدام مقياس دقيق لثابت بلانك ، يمكنه التحقق من نتائج عمل الدكتور كيبل والعكس صحيح.
- ^ برومفيل ، جيف (21 أكتوبر 2010). "التحول الأولي للكيلو" (PDF) . الطبيعة . 467 (7318): 892. دوى : 10.1038 / 467892a . بميد 20962811 .
- ^ NPL: مشروع Avogadro ؛ المعهد الوطني الأسترالي للقياس: [إعادة تعريف الكيلوغرام من خلال ثابت أفوجادرو] ؛ والمركز الأسترالي للبصريات الدقيقة: مشروع Avogadro أرشفة 2014-04-07 في آلة Wayback ...
- ^ "قيمة كوداتا 2018: ثابت أفوجادرو" . مرجع NIST في الثوابت والوحدات وعدم اليقين . نيست . 20 مايو 2019 . تم الاسترجاع 2019/05/20 .
- ^ هيل ، ثيودور ب. ميلر ، جاك. سينسولو ، ألبرت سي (1 يونيو 2011). "نحو تعريف أفضل للكيلوجرام". المترولوجيا . 48 (3): 83-86. arXiv : 1005.5139 . بيب كود : 2011Metro..48 ... 83H . دوى : 10.1088 / 0026-1394 / 48/3/002 .
- ^ جورجيا تك ، "تعريف أفضل للكيلوغرام؟" 21 سبتمبر 2007 (خبر صحفى).
- ^ أ ب المعهد الوطني الألماني للقياس ، المعروف باسم Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): مجموعة العمل 1.24 ، تراكم الأيونات
- ^ المؤتمر العام للأوزان والمقاييس ، الاجتماع الثاني والعشرون ، أكتوبر 2003 ( ملف ZIP3.2ميغابايت).
- ^ باورز ، ماري ، القافلة ، 1-15 سبتمبر 2009: "لماذا يفقد العالم وزنه"
- ^ أ ب "قيمة CODATA 2018: الشحنة الأولية" . مرجع NIST في الثوابت والوحدات وعدم اليقين . نيست . 20 مايو 2019 . تم الاسترجاع 2019/05/20 .
- ^ "ما وراء الكيلوغرام: إعادة تعريف النظام الدولي للوحدات" (خبر صحفى). نيست. مؤرشفة من الأصلي في 22 مايو 2008.
- ^ روبنسون ، آي إيه (أبريل 2009). "نحو نتيجة نهائية من NPL Mark II Watt Balance". معاملات IEEE على الأجهزة والقياس . 58 (4): 936-941. دوى : 10.1109 / TIM.2008.2008090 .