Alternativa tillvägagångssätt för att omdefiniera kilogram
Det vetenskapliga samfundet undersökte flera tillvägagångssätt för att omdefiniera kilogram innan de beslutade om en omdefiniering av SI-basenheterna i november 2018. Varje tillvägagångssätt hade fördelar och nackdelar.
Före omdefinieringen definierades kilogram och flera andra SI-enheter baserade på kilogram av ett konstgjort metallföremål som kallas den internationella prototypen av kilogram (IPK). Det rådde bred enighet om att den äldre definitionen av kilogram skulle ersättas.
Internationella kommittén för vikter och mått (CIPM) godkände en omdefiniering av SI-basenheterna i november 2018 som definierar kilogram genom att definiera Planck- konstanten till exakt 6,626 070 15 × 10 −34 kg⋅m 2 ⋅s −1 . Detta tillvägagångssätt definierar effektivt kilogram i termer av tvåan och mätaren och trädde i kraft den 20 maj 2019.
1960 omdefinierades mätaren, som tidigare på liknande sätt hade definierats med hänvisning till en enda platina-iridiumstång med två märken på den, i termer av en invariant fysisk konstant (våglängden för en viss ljusemission som emitteras av krypton, och senare ljusets hastighet ) så att standarden kan reproduceras oberoende i olika laboratorier genom att följa en skriftlig specifikation.
Vid det 94:e mötet i den internationella kommittén för vikter och mått (CIPM) 2005 rekommenderades att samma sak skulle göras med kilogram.
I oktober 2010 röstade CIPM för att lägga fram en resolution för behandling vid generalkonferensen om vikter och mått (CGPM), för att "notera en avsikt" att kilogram definieras i termer av Planck-konstanten , h (som har dimensioner) av energi gånger tid) tillsammans med andra fysiska konstanter. Denna resolution accepterades av CGPM:s 24:e konferens i oktober 2011 och diskuterades vidare vid den 25:e konferensen 2014. Även om kommittén insåg att betydande framsteg hade gjorts, drog de slutsatsen att uppgifterna ännu inte verkade tillräckligt robusta för att anta den reviderade definition, och att arbetet bör fortsätta för att möjliggöra antagandet vid det 26:e mötet, planerat till 2018. En sådan definition skulle teoretiskt sett tillåta alla apparater som kunde avgränsa kilogram i termer av Planck-konstanten att användas så länge som den hade tillräckligt med precision, noggrannhet och stabilitet. Kibble -balansen är ett sätt att göra detta.
Som en del av detta projekt övervägdes och utforskades en mängd mycket olika tekniker och tillvägagångssätt under många år. Några av dessa tillvägagångssätt var baserade på utrustning och procedurer som skulle ha möjliggjort reproducerbar produktion av nya kilogram-prototyper på begäran med hjälp av mättekniker och materialegenskaper som i slutändan är baserade på, eller spårbara till, fysiska konstanter. Andra var baserade på enheter som mätte antingen accelerationen eller vikten av handinställda kilogram testmassor och som uttryckte deras storlek i elektriska termer via speciella komponenter som tillåter spårbarhet till fysiska konstanter. Sådana tillvägagångssätt är beroende av omvandling av en viktmätning till en massa och kräver därför exakt mätning av tyngdkraften i laboratorier. Alla tillvägagångssätt skulle ha exakt fixerat en eller flera naturkonstanter till ett definierat värde.
Kibble balans
Kibble -vågen (känd som en "watt-balans" före 2016) är i huvudsak en våg med en enda panna som mäter den elektriska kraft som krävs för att motverka vikten av en kilogram testmassa när den dras av jordens gravitation. Det är en variant av en amperebalans , med ett extra kalibreringssteg som eliminerar effekten av geometri. Den elektriska potentialen i Kibble-balansen avgränsas av en Josephson-spänningsstandard , som gör att spänningen kan kopplas till en oföränderlig naturkonstant med extremt hög precision och stabilitet. Dess kretsresistans är kalibrerad mot en quantum Hall effekt resistansstandard .
Kibble-balansen kräver extremt exakt mätning av den lokala gravitationsaccelerationen g i laboratoriet med hjälp av en gravimeter . Till exempel när höjden av gravimeterns centrum skiljer sig från den för den närliggande testmassan i Kibble-balansen, kompenserar NIST för jordens gravitationsgradient på 309 μGal per meter, vilket påverkar vikten av en en-kilograms testmassa med ca. 316 μg/m.
I april 2007 visade NIST:s implementering av Kibble-balansen en kombinerad relativ standardosäkerhet (CRSU) på 36 μg. Storbritanniens National Physical Laboratory's Kibble-balans visade en CRSU på 70,3 μg 2007. Den Kibble-balansen togs isär och skickades 2009 till Kanadas Institute for National Measurement Standards (en del av National Research Council ), där forskning och utveckling med enheten kunde fortsätta .
Tyngdkraften och karaktären av Kibble-balansen, som oscillerar provmassor upp och ner mot den lokala gravitationsaccelerationen g , utnyttjas så att mekanisk effekt jämförs med elektrisk effekt, som är kvadraten på spänningen dividerad med elektriskt motstånd. Men g varierar avsevärt – med nästan 1 % – beroende på var på jordens yta mätningen görs (se Jordens gravitation ) . Det finns också små säsongsvariationer i g på en plats på grund av förändringar i underjordiska vattennivåer, och större halvmånatliga och dygnsmässiga förändringar på grund av tidvattenförvrängningar i jordens form orsakade av månen och solen. Även om g inte skulle vara en term i definitionen av kilogram, skulle det vara avgörande i processen för mätning av kilogram när man relaterar energi till kraft. Följaktligen g mätas med minst lika mycket precision och noggrannhet som de andra termerna, så mätningar av g måste också kunna spåras till fundamentala naturkonstanter. För det mest exakta arbetet inom massmetrologi mäts g med absoluta gravimetrar med fallande massa som innehåller en jodstabiliserad helium -neonlaserinterferometer . Fringe -signalen , frekvenssvep- utgången från interferometern mäts med en rubidium- atomklocka . Eftersom den här typen av gravimeter med fallande massa härleder sin noggrannhet och stabilitet från ljusets hastighets konstanthet samt de medfödda egenskaperna hos helium-, neon- och rubidiumatomer, är termen "gravitation" i avgränsningen av ett helelektroniskt kilogram mäts också i termer av naturens invarianter – och med mycket hög precision. Till exempel, i källaren på NIST:s Gaithersburg-anläggning 2009, när man mäter tyngdkraften som verkar på Pt-10Ir-testmassor (som är tätare, mindre och har en något lägre tyngdpunkt inuti Kibble-balansen än massor av rostfritt stål), det uppmätta värdet låg typiskt inom 8 ppb av 9,801 016 44 m/s 2 .
Fördelen med elektroniska realiseringar som Kibble-balansen är att definitionen och spridningen av kilogram inte längre beror på stabiliteten hos kilogramprototyper, som måste hanteras och lagras mycket noggrant. Det befriar fysiker från behovet av att förlita sig på antaganden om stabiliteten hos dessa prototyper. Istället kan handavstämda massstandarder helt enkelt vägas och dokumenteras som lika med ett kilogram plus ett offsetvärde. Med Kibble-balansen, medan kilogram är avgränsat i elektriska termer och gravitationstermer, som alla är spårbara till naturens invarianter; den definieras på ett sätt som är direkt spårbart till tre grundläggande naturkonstanter. Planck-konstanten definierar kilogram i termer av sekunden och metern. Genom att fixera Planck-konstanten definitionen av kilogram dessutom endast på definitionerna av sekunden och metern. Definitionen av den andra beror på en enda definierad fysikalisk konstant: grundtillståndets hyperfina klyvningsfrekvens för cesium-133-atomen Δ ν ( 133 Cs) hfs . Mätaren beror på den andra och på en ytterligare definierad fysisk konstant: ljusets hastighet c . Med kilogram omdefinierat på detta sätt är fysiska objekt som IPK inte längre en del av definitionen, utan blir istället överföringsstandarder .
Vågar som Kibble-balansen tillåter också mer flexibilitet vid val av material med särskilt önskvärda egenskaper för massstandarder. Till exempel skulle Pt-10Ir kunna fortsätta att användas så att den specifika vikten av nyproducerade massstandarder skulle vara densamma som befintliga nationella primär- och kontrollstandarder (≈21,55 g/ml). Detta skulle minska den relativa osäkerheten vid massjämförelser i luft . Alternativt kan helt andra material och konstruktioner utforskas med målet att producera massstandarder med större stabilitet. Till exempel osmium -iridium-legeringar kunna undersökas om platinas benägenhet att absorbera väte (på grund av katalys av VOC och kolvätebaserade rengöringsmedel) och atmosfäriskt kvicksilver visade sig vara källor till instabilitet. Även ångavsatta, skyddande keramiska beläggningar som nitrider kan undersökas för deras lämplighet för att kemiskt isolera dessa nya legeringar.
Utmaningen med Kibble-balanser är inte bara att minska deras osäkerhet, utan också att göra dem till verkligt praktiska insikter av kilogram. Nästan varje aspekt av Kibble-vågar och deras stödutrustning kräver en så utomordentligt exakt och exakt, toppmodern teknik att - till skillnad från en enhet som en atomklocka - skulle få länder för närvarande välja att finansiera sin verksamhet. Till exempel använde NIST:s Kibble-balans fyra motståndsstandarder 2007, som var och en roterades genom Kibble-balansen varannan till var sjätte vecka efter att ha kalibrerats i en annan del av NISTs högkvartersanläggning i Gaithersburg , Maryland . Det visade sig att bara att flytta resistansstandarderna ner i korridoren till Kibble-balansen efter kalibrering ändrade deras värden 10 ppb (motsvarande 10 μg) eller mer. Dagens teknik är otillräcklig för att tillåta stabil drift av Kibble-balanser även mellan tvååriga kalibreringar. När den nya definitionen träder i kraft är det troligt att det bara kommer att finnas ett fåtal — högst — Kibble-balanser som initialt verkar i världen.
Alternativa tillvägagångssätt för att omdefiniera kilogram
Flera alternativa tillvägagångssätt för att omdefiniera kilogram som var fundamentalt annorlunda än Kibble-balansen undersöktes i varierande grad, med några övergivna. Avogadro-projektet, i synnerhet, var viktigt för 2018 års omdefinieringsbeslut eftersom det gav en korrekt mätning av Planck-konstanten som var förenlig med och oberoende av Kibble-balansmetoden. De alternativa tillvägagångssätten inkluderade:
Atomräkning närmar sig
Avogadro-projektet
En annan Avogadro konstantbaserad metod, känd som International Avogadro Coordination 's Avogadro-projekt , skulle definiera och avgränsa kilogram som en 93,6 mm diametersfär av kiselatomer . Silicon valdes eftersom det redan finns en kommersiell infrastruktur med mogen teknologi för att skapa defektfritt, ultrarent monokristallint kisel, Czochralski-processen , för att betjäna halvledarindustrin .
För att göra en praktisk realisering av kilogram skulle en kiselboule ( en stavliknande enkristallgöt) tillverkas. Dess isotopsammansättning skulle mätas med en masspektrometer för att bestämma dess genomsnittliga relativa atommassa. Boulen skulle skäras, slipas och poleras till sfärer. Storleken på en utvald sfär skulle mätas med hjälp av optisk interferometri till en osäkerhet på cirka 0,3 nm på radien - ungefär ett enda atomlager. Det exakta gitteravståndet mellan atomerna i dess kristallstruktur (≈ 192 pm) skulle mätas med hjälp av en skanningsröntgeninterferometer . Detta gör att dess atomavstånd kan bestämmas med en osäkerhet på endast tre delar per miljard. Med sfärens storlek, dess genomsnittliga atommassa och dess atomavstånd kända, kan den erforderliga sfärdiametern beräknas med tillräcklig precision och låg osäkerhet för att den ska kunna poleras till en målmassa på ett kilogram.
Experiment utförs på Avogadro-projektets kiselkulor för att avgöra om deras massor är mest stabila när de lagras i ett vakuum, ett partiellt vakuum eller omgivande tryck. Emellertid finns det för närvarande inga tekniska medel för att bevisa en långsiktig stabilitet som är bättre än IPK:s, eftersom de mest känsliga och exakta mätningarna av massa görs med tvåvägsvågar som BIPM:s FB-2 flexure-strip balans ( se § Externa länkar nedan). Vågar kan bara jämföra massan av en kiselkula med den för en referensmassa. Med tanke på den senaste förståelsen av bristen på långvarig massstabilitet med IPK och dess repliker, finns det ingen känd, perfekt stabil massartefakt att jämföra med. Single-pan- vågar , som mäter vikt i förhållande till en invariant av naturen, är inte exakta för den nödvändiga långsiktiga osäkerheten på 10–20 delar per miljard. En annan fråga som måste lösas är att kisel oxiderar och bildar ett tunt lager (motsvarande 5–20 kiselatomer djupt) av kiseldioxid ( kvarts ) och kiselmonoxid . Detta lager ökar sfärens massa något, en effekt som måste beaktas när sfären poleras till dess färdiga storlek. Oxidation är inte ett problem med platina och iridium, som båda är ädelmetaller som är ungefär lika katodiska som syre och därför inte oxiderar om de inte lockas att göra det i laboratoriet. Närvaron av det tunna oxidskiktet på en massaprototyp med kiselkulor sätter ytterligare begränsningar för de procedurer som kan vara lämpliga för att rengöra det för att undvika att ändra skiktets tjocklek eller oxidstökiometri .
Alla kiselbaserade tillvägagångssätt skulle fixera Avogadro-konstanten men variera i detaljerna i definitionen av kilogram. Ett tillvägagångssätt skulle använda kisel med alla tre naturliga isotoper närvarande. Cirka 7,78 % av kisel består av de två tyngre isotoper: 29 Si och 30 Si. Som beskrivs i § Kol-12 nedan, skulle denna metod definiera storleken på kilogram i termer av ett visst antal 12 C-atomer genom att fixera Avogadro-konstanten; kiselsfären skulle vara den praktiska förverkligandet . Detta tillvägagångssätt skulle noggrant kunna avgränsa storleken på kilogram eftersom massorna av de tre kiselnukliderna i förhållande till 12 C är kända med stor precision (relativa osäkerheter på 1 ppb eller bättre). En alternativ metod för att skapa ett kiselklotbaserat kilogram föreslår att man använder isotopseparationstekniker för att berika kislet tills det är nästan rent 28Si , som har en relativ atommassa på 27.976 926 5325 (19) . Med detta tillvägagångssätt skulle Avogadro-konstanten inte bara vara fixerad, utan det skulle också atommassan av 28 Si. Som sådan skulle definitionen av kilogram vara frikopplad från 12 C och kilogram skulle istället definieras som 1000 / 27.976 926 5325 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 atomer av 28 Si (≈ 35.743 7 ) fasta Si-atomer av 0 43 7 mol . Fysiker kan välja att definiera kilogram i termer av 28 Si även när kilogram prototyper är gjorda av naturligt kisel (alla tre isotoper närvarande). Även med en kilogram definition baserad på teoretiskt ren 28 Si, skulle en kisel-sfär-prototyp tillverkad av endast nästan ren 28 Si nödvändigtvis avvika något från det definierade antalet mol kisel för att kompensera för olika kemiska och isotopiska föroreningar samt effekten av ytoxider.
Kol-12
Även om den inte ger en praktisk realisering, skulle denna definition exakt definiera storleken på kilogram i termer av ett visst antal kol-12- atomer. Kol-12 ( 12 C) är en isotop av kol. Molen definieras för närvarande som "mängden enheter (elementarpartiklar som atomer eller molekyler) lika med antalet atomer i 12 gram kol-12" . Den nuvarande definitionen av mullvad kräver alltså att 1000 / 12 mol ( 83 + 1 / 3 mol) av 12 C har en massa på exakt ett kilogram. Antalet atomer i en mol, en kvantitet känd som Avogadro-konstanten , bestäms experimentellt, och den nuvarande bästa uppskattningen av dess värde är 6,022 140 76 × 10 23 enheter per mol. Denna nya definition av kilogram föreslog att Avogadro-konstanten skulle fixeras till exakt 6,022 14 X × 10 23 mol −1 där kilogram definieras som "massan lika med 1000 / 12 ⋅ 6,022 14 X × 10 23 atomer av 12 C ".
Noggrannheten av det uppmätta värdet av Avogadro-konstanten är för närvarande begränsad av osäkerheten i värdet på Planck-konstanten . Den relativa standardosäkerheten har varit 50 delar per miljard (ppb) sedan 2006. Genom att fixera Avogadro-konstanten skulle den praktiska effekten av detta förslag bli att osäkerheten i massan av en 12 C-atom – och storleken på kilogramet – skulle kunna inte vara bättre än den nuvarande 50 ppb osäkerheten i Planck-konstanten. Enligt detta förslag skulle storleken på kilogram bli föremål för framtida förfining när förbättrade mätningar av värdet på Planck-konstanten blir tillgängliga; elektroniska realiseringar av kilogram skulle omkalibreras vid behov. Omvänt skulle en elektronisk definition av kilogram (se § 83 + 1/3 Elektroniska men tillvägagångssätt nedan), som exakt skulle fixera Planck-konstanten, fortsätta att tillåta mol av 12 C att ha en massa på exakt ett kilogram antalet atomer som består av en mol (Avogadro-konstanten) skulle fortsätta att bli föremål för framtida förfining.
En variation på en 12 C-baserad definition föreslår att Avogadro-konstanten definieras som exakt 84 446 889 3 (≈ 6,022 141 62 × 10 23 ) atomer. En imaginär realisering av en prototyp på 12 gram skulle vara en kub med 12 C-atomer som mäter exakt 84 446 889 atomer på en sida. Med 83 + 1/3 detta " förslag skulle kilogram definieras som "massan lika med 84 446 889 3 × atomer av 12 C.
Jonansamling
En annan Avogadro-baserad metod, jonackumulering , sedan den övergavs, skulle ha definierat och avgränsat kilogram genom att exakt skapa nya metallprototyper på begäran. Det skulle ha gjort det genom att ackumulera guld- eller vismutjoner (atomer borttagna från en elektron) och räkna dem genom att mäta den elektriska ström som krävs för att neutralisera jonerna. Guld ( 197 Au) och vismut ( 209 Bi) valdes eftersom de kan hanteras säkert och har de två högsta atommassorna bland de mononuklidiska grundämnena som är stabila (guld) eller faktiskt så (vismut). Se även Tabell över nuklider .
Med en guldbaserad definition av till exempel kilogram kunde den relativa atommassan av guld ha fixerats till exakt 196.966 5687 , från det nuvarande värdet på 196.966 5687 (6) . Som med en definition baserad på kol-12, skulle Avogadro-konstanten också ha fastställts. Kilogrammet skulle då ha definierats som "massan lika med den av exakt 1000 / 196.966 5687 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 atomer guld" (precis 3.057.443.620.887.313, 7 s guld eller ca 7 atomer, 7 358, 7 353, 7 s, 7 353, 7 s, 7 s. 003 71 fasta mullvadar ).
2003 visade tyska experiment med guld vid en ström av endast 10 μA en relativ osäkerhet på 1,5 %. Uppföljningsexperiment med vismutjoner och en ström på 30 mA förväntades ackumulera en massa på 30 g på sex dagar och ha en relativ osäkerhet på bättre än 1 ppm. I slutändan visade sig metoder för jonackumulering vara olämpliga. Mätningar krävde månader och uppgifterna visade sig vara för oberäkneliga för att tekniken skulle anses vara en hållbar framtida ersättning till IPK.
Bland de många tekniska utmaningarna med jonavsättningsapparaten var att erhålla en tillräckligt hög jonström (massavsättningshastighet) samtidigt som jonerna bromsades så att de alla kunde avsättas på en målelektrod inbäddad i en balanspanna. Experiment med guld visade att jonerna måste bromsas ned till mycket låga energier för att undvika sputtereffekter - ett fenomen där joner som redan hade räknats rikoschetterade från målelektroden eller till och med lossade atomer som redan hade avsatts. Den deponerade massfraktionen i de tyska experimenten 2003 närmade sig endast mycket nära 100 % vid jonenergier på mindre än runt 1 eV (< 1 km/s för guld).
Om kilogramet hade definierats som en exakt mängd guld- eller vismutatomer avsatta med en elektrisk ström, skulle inte bara Avogadro-konstanten och atommassan för guld eller vismut ha varit exakt fixerade, utan också värdet av den elementära laddningen ( e ), sannolikt till 1,602 17 X × 10 −19 C (från det för närvarande rekommenderade värdet på 1,602 176 634 × 10 −19 C ). Om du gjorde det skulle det effektivt ha definierat amperen som ett flöde på 1 / 1,602 17 X × 10 −19 elektroner per sekund förbi en fast punkt i en elektrisk krets. Massenheten SI skulle ha definierats fullständigt genom att exakt ha fixerat värdena för Avogadro-konstanten och elementärladdningen, och genom att utnyttja det faktum att atommassorna av vismut- och guldatomer är oföränderliga, universella naturkonstanter.
Utöver långsamheten att göra en ny massstandard och den dåliga reproducerbarheten, fanns det andra inneboende brister i jonackumuleringsmetoden som visade sig vara enorma hinder för att jonackumuleringsbaserade tekniker skulle bli en praktisk realisering. Apparaten krävde nödvändigtvis att avsättningskammaren har ett integrerat balanssystem för att möjliggöra bekväm kalibrering av en rimlig mängd överföringsstandarder i förhållande till varje enskild inre jonavsatt prototyp. Dessutom skulle massprototyperna som producerats med jonavsättningstekniker inte ha varit något liknande de fristående platina-iridium-prototyper som för närvarande används; de skulle ha placerats på – och blivit en del av – en elektrod inbäddad i en panna av en speciell balans integrerad i enheten. Dessutom skulle den jonavsatta massan inte ha haft en hård, mycket polerad yta som kan rengöras kraftfullt som de av nuvarande prototyper. Guld, även om det är tätt och en ädel metall (beständigt mot oxidation och bildning av andra föreningar), är extremt mjukt så en inre guldprototyp måste hållas väl isolerad och noggrant ren för att undvika kontaminering och risken för slitage från att behöva avlägsnas föroreningen. Vismut, som är en billig metall som används i lågtemperaturlödningar, oxiderar långsamt när den utsätts för rumstemperatur och bildar andra kemiska föreningar och skulle därför inte ha producerat stabila referensmassor om den inte ständigt hölls i ett vakuum eller inert atmosfär.
Amperebaserad kraft
Detta tillvägagångssätt skulle definiera kilogram som "massan som skulle accelereras med exakt 2 × 10 −7 m/s 2 när den utsätts för kraften per meter mellan två raka parallella ledare av oändlig längd, med försumbar cirkulärt tvärsnitt, placerad en meter från varandra i vakuum, genom vilket flyter en konstant ström på 1 / 1,602 17 × 10 −19 elementära laddningar per sekund".
I praktiken skulle detta definiera kilogram som en derivata av amperen snarare än det nuvarande förhållandet, vilket definierar ampere som en derivata av kilogram. Denna omdefiniering av kilogram skulle specificera elementär laddning ( e ) som exakt 1,602 17 × 10 −19 coulomb snarare än det nuvarande rekommenderade värdet på 1,602 176 634 × 10 −19 C. Det skulle med nödvändighet följa att amperen (en coulomb per sekund) också skulle bli en elektrisk ström av denna exakta mängd elementära laddningar per sekund som passerar en given punkt i en elektrisk krets. Fördelen med en praktisk insikt baserad på denna definition är att till skillnad från Kibble-balansen och andra skalbaserade metoder, som alla kräver noggrann karakterisering av gravitationen i laboratoriet, avgränsar denna metod storleken på kilogram direkt på samma sätt som definiera massans natur: acceleration på grund av en applicerad kraft. Tyvärr är det extremt svårt att utveckla en praktisk realisering baserad på accelererande massor. Experiment under en period av år i Japan med en supraledande massa på 30 g understödd av diamagnetisk levitation uppnådde aldrig en osäkerhet bättre än tio delar per miljon. Magnetisk hysteres var ett av de begränsande problemen. Andra grupper utförde liknande forskning som använde olika tekniker för att sväva massan.