2018 può essere definito un anno fatidico in metrologia, perché questo è il momento di una vera rivoluzione tecnologica nel sistema internazionale di unità di grandezze fisiche SI. Si tratta di rivedere le definizioni delle principali grandezze fisiche. Un chilogrammo di patate al supermercato ora peserà in un modo nuovo? Le patate C saranno le stesse. Qualcos' altro cambierà.
Prima del sistema SI
Nei tempi antichi erano necessari standard comuni in termini di pesi e misure. Ma le regole generali per le misurazioni sono diventate particolarmente necessarie con l'avvento del progresso scientifico e tecnologico. Gli scienziati dovevano parlare una lingua comune: un piede quanti centimetri? E cos'è un centimetro in Francia quando non è uguale all'italiano?
La Francia può essere definita un veterano onorario e vincitore di storiche battaglie metrologiche. Fu in Francia nel 1791 che il sistema di misura fu ufficialmente approvato e il lorounità e le definizioni delle principali grandezze fisiche sono state descritte e approvate come documenti statali.
I francesi furono i primi a capire che le quantità fisiche dovrebbero essere legate agli oggetti naturali. Ad esempio, un metro è stato descritto come 1/40.000.000 della lunghezza del meridiano da nord a sud verso l'equatore. Era legato, quindi, alle dimensioni della Terra.
Un grammo è stato anche legato ai fenomeni naturali: era definito come la massa d'acqua in un centimetro cubo ad una temperatura prossima allo zero (scioglimento del ghiaccio).
Ma, come si è scoperto, la Terra non è affatto una palla perfetta e l'acqua in un cubo può avere una varietà di proprietà se contiene impurità. Pertanto, le dimensioni di queste quantità in diverse parti del pianeta differivano leggermente l'una dall' altra.
All'inizio del XIX secolo, i tedeschi, guidati dal matematico Karl Gauss, entrarono nel settore. Ha proposto di aggiornare il sistema di misure centimetro-grammo-secondo e da allora le unità metriche sono diventate nel mondo, nella scienza e sono state riconosciute dalla comunità internazionale, è stato formato un sistema internazionale di unità di quantità fisiche.
Si è deciso di sostituire la lunghezza del meridiano e la massa di un cubo d'acqua con gli standard che erano conservati nel Bureau of Weights and Measures di Parigi, con distribuzione di copie ai paesi partecipanti alla metrica convenzione.
Il chilogrammo, ad esempio, sembrava un cilindro fatto di una lega di platino e iridio, che alla fine non è nemmeno diventata una soluzione ideale.
Il sistema internazionale di unità di quantità fisiche SI è stato formato nel 1960. All'inizio ne comprendeva seigrandezze di base: metri e lunghezza, chilogrammi e massa, tempo in secondi, intensità di corrente in ampere, temperatura termodinamica in kelvin e intensità luminosa in candele. Dieci anni dopo ne fu aggiunto un altro: la quantità di una sostanza, misurata in moli.
È importante sapere che tutte le altre unità di misura delle grandezze fisiche del sistema internazionale sono considerate derivate di quelle di base, ovvero possono essere calcolate matematicamente utilizzando le grandezze di base del sistema SI.
Lontano dagli standard
Gli standard fisici si sono rivelati non il sistema di misurazione più affidabile. Lo standard del chilogrammo stesso e le sue copie per paese vengono periodicamente confrontati tra loro. Le riconciliazioni mostrano cambiamenti nelle masse di questi standard, che si verificano per vari motivi: polvere durante la verifica, interazione con lo stand o qualcos' altro. Gli scienziati hanno notato queste spiacevoli sfumature da molto tempo. È giunto il momento di rivedere i parametri delle unità di grandezze fisiche del sistema internazionale in metrologia.
Pertanto, alcune definizioni di quantità sono gradualmente cambiate: gli scienziati hanno cercato di allontanarsi dagli standard fisici, che in un modo o nell' altro hanno cambiato i loro parametri nel tempo. Il modo migliore è ricavare quantità in termini di proprietà immutabili, come la velocità della luce o i cambiamenti nella struttura degli atomi.
Alla vigilia della rivoluzione nel sistema SI
I principali cambiamenti tecnologici nel sistema internazionale di unità di quantità fisiche vengono effettuati attraverso il voto dei membri dell'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure alla conferenza annuale. Se approvate, le modifiche entreranno in vigore dopo alcunimesi.
Tutto questo è estremamente importante per gli scienziati le cui ricerche ed esperimenti richiedono la massima precisione nelle misurazioni e nelle formulazioni.
I nuovi standard di riferimento 2018 aiuteranno a raggiungere il massimo livello di accuratezza in qualsiasi misurazione in qualsiasi luogo, ora e scala. E tutto questo senza alcuna perdita di precisione.
Ridefinire le quantità nel sistema SI
Riguarda quattro delle sette grandezze fisiche di base operative. Si è deciso di ridefinire le seguenti quantità con le unità:
- chilogrammo (massa) utilizzando le unità della costante di Planck nell'espressione;
- ampere (corrente) con misurazione della carica;
- kelvin (temperatura termodinamica) con espressione unitaria utilizzando la costante di Boltzmann;
- mole attraverso la costante di Avogadro (quantità di sostanza).
Per le restanti tre quantità, la formulazione delle definizioni verrà modificata, ma la loro essenza rimarrà invariata:
- metro (lunghezza);
- secondo (tempo);
- candela (intensità luminosa).
Cambiamenti con Amp
Quello che oggi è l'ampere come unità di quantità fisiche nel sistema internazionale SI è stato proposto nel 1946. La definizione era legata alla forza della corrente tra due conduttori nel vuoto a distanza di un metro, specificando tutte le sfumature di questa struttura. Imprecisione e misurazione ingombrante sono le due caratteristiche principali di questa definizione dal punto di vista odierno.
Nella nuova definizione, un ampere è una corrente elettrica uguale aflusso di un numero fisso di cariche elettriche al secondo. L'unità è espressa in cariche di elettroni.
Per determinare l'amperaggio aggiornato, è necessario un solo strumento: la cosiddetta pompa a elettrone singolo, che è in grado di spostare gli elettroni.
Nuova mole e purezza del silicio 99,9998%
La vecchia definizione di mole è correlata alla quantità di materia pari al numero di atomi in un isotopo di carbonio con una massa di 0,012 kg.
Nella nuova versione, questa è la quantità di una sostanza contenuta in un numero ben definito di unità strutturali specificate. Queste unità sono espresse usando la costante di Avogadro.
Ci sono anche molte preoccupazioni per il numero di Avogadro. Per calcolarlo si è deciso di creare una sfera di silicio-28. Questo isotopo del silicio si distingue alla perfezione per il suo reticolo cristallino preciso. Pertanto, il numero di atomi al suo interno può essere contato accuratamente utilizzando un sistema laser che misura il diametro di una sfera.
Si potrebbe, ovviamente, sostenere che non c'è alcuna differenza fondamentale tra una sfera di silicio-28 e l'attuale lega di platino-iridio. Sia quello che l' altra sostanza perdono atomi nel tempo. Perde, giusto. Ma il silicio-28 li sta perdendo a un ritmo prevedibile, quindi verranno apportati continuamente aggiustamenti al riferimento.
Il silicio-28 più puro per la sfera è stato recentemente ottenuto negli Stati Uniti. La sua purezza è 99,9998%.
E ora Kelvin
Kelvin è una delle unità di quantità fisiche nel sistema internazionale e viene utilizzata per misurare il livello di temperatura termodinamica. "Alla vecchia maniera" è uguale a 1/273, 16parti della temperatura del punto triplo dell'acqua. Il punto triplo dell'acqua è una componente estremamente interessante. Questo è il livello di temperatura e pressione a cui l'acqua si trova in tre stati contemporaneamente: "vapore, ghiaccio e acqua".
La definizione di "zoppicare su entrambe le gambe" per il seguente motivo: il valore di kelvin dipende principalmente dalla composizione dell'acqua con un rapporto isotopico teoricamente noto. Ma in pratica era impossibile ottenere acqua con tali caratteristiche.
Il nuovo kelvin sarà definito come segue: un kelvin è uguale a una variazione di energia termica di 1,4 × 10−23j. Le unità sono espresse usando la costante di Boltzmann. Ora il livello di temperatura può essere misurato fissando la velocità del suono nella sfera del gas.
Chilogrammo senza standard
Sappiamo già che a Parigi esiste uno standard di platino con iridio, che in qualche modo ha cambiato il suo peso durante il suo utilizzo in metrologia e nel sistema delle unità di quantità fisiche.
La nuova definizione di chilogrammo è: Un chilogrammo è espresso come costante di Planck diviso per 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
La misurazione della massa può ora essere eseguita sulla scala "watt". Non lasciarti ingannare dal nome, queste non sono le solite bilance, ma l'elettricità, che è sufficiente per sollevare un oggetto che giace dall' altra parte della bilancia.
Cambiamenti nei principi di costruzione delle unità di grandezze fisiche e del loro sistema nel suo insieme sono necessari, in primo luogo, nei campi teorici della scienza. I principali fattori nel sistema aggiornatosono ora costanti naturali.
Questa è la logica conclusione di molti anni di attività di un gruppo internazionale di scienziati seri i cui sforzi per lungo tempo sono stati volti a trovare misurazioni e definizioni ideali di unità basate sulle leggi della fisica fondamentale.
