Прощай «старый» килограмм – новый международный эталон на подходеВсе стандартные единицы, кроме килограмма, Международной системы единиц СИ определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов. Первый эталон килограмма, в виде платиновой гири, был изготовлен еще в 1799 году, но его масса оказалась на 0,028 г больше массы 1 куб. дм воды при 4°С, определенного как стандарт. Существующий современный эталон килограмма был создан в 1889 году в виде цилиндра с высотой и диаметром 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). С 19-го века этот эталон хранится в Международном бюро мер и весов около Парижа под тремя герметичными стеклянными колпаками и в публикациях часто фигурирует под названием Le Grand K.
Для охвата всей планеты было изготовлено более 80 официальных копий эталона, которые используются как национальные стандарты килограмма. Раз в 40 лет проводятся процедуры сравнения копий и измерения приносят неутешительные результаты.
Максимальная разница между копиями относительно эталона достигает 50 мкг (микрограмм), что не может не беспокоить ученых....
Уже в этом месяце международное сообщество ученых собирается свергнуть почти 130-летнего «короля килограммов» и заменить его современным высокотехнологичным устройством, известным под названием «баланс Киббла» (Kibble balance). Это устройство названо в честь британского физика и новатора-метролога Брайана Питера Киббла из Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL).
Не вдаваясь в технологические тонкости, можно описать устройство «баланс Киббла» как некий измерительный прибор, позволяющий с высокой точностью получить так называемый «электрический» или «электронный» килограмм. До смерти изобретателя в 2016 году это устройство называлось «ватт баланс», ведь масса в этом приборе пропорциональна произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. Электрический ток и разность потенциалов измеряются в единицах СИ, а устройство «баланс Киббла» становится инструментом для измерения массы в единицах СИ.
Научные лаборатории во всем мире могут построить работающий прибор «баланс Киббла» и измерять массы с такой точностью, с которой в настоящее время измеряется постоянная Планка ..... Использованы материалы
Dailymailhttps://econet.ru/articles/174765-peresmotr-siste ... era-kilogramma-kelvina-i-molya.....Руководство международной организации проголосует за предложенные изменения на Генеральной конференции по мерам и весам в 2018 году, а в случае положительного решения изменения вступят в силу с мая 2019 года.
.....Проблема с эталоном килограмма состоит в том, что любые материалы могут терять атомы или, наоборот, пополняться атомами из окружающего пространства. В частности, различные официальные копии эталонного килограмма, который хранится в Севре, отличаются по весу от официального эталона. Разница достигает 60 микрограмм. Такие изменения произошли за более чем 100 лет с момента создания копий.

Ещё одна проблема с единицами измерения фиксированного масштаба — то, что элемент неопределённости (погрешность) увеличивается по мере удаления от этой фиксированной точки (эталона). Например, сейчас при измерении миллиграмма элемент неопределённости в 2500 раз больше, чем при измерении килограмма.

Эта проблема решается, если определить единицу измерения через другую физическую постоянную. Собственно, в новом определении килограмма так и сделано: здесь используется постоянная Планка.
Новое определение: 1 килограмм равен постоянной Планка, поделенной на 6,626070040 × 10−34 м−25. Для выражения единицы требуется постоянная Планка.
Измерение массы на практике возможно с помощью ваттовых весов: через два отдельных эксперимента со сравнением механической и электромагнитной силы, а затем путём перемещения катушки через магнитное поле для создания разности потенциалов (на иллюстрации внизу). Грубо говоря, масса вычисляется через электроэнергию, которая необходима, чтобы поднять предмет, лежащий на другой чаше весов.
https://nplus1.ru/material/2017/07/11/redefinition...Для того чтобы в 2018 году переопределение килограмма было официально принято, необходимо соблюсти несколько условий. Во-первых, измерения должны быть выполнены как минимум тремя независимыми исследовательскими группами, причем одна из них должна использовать измерения, основанные на отличных от двух других групп физических принципах. Во-вторых, требования к их точности предъявляются очень высокие: неопределенность измерения постоянной Планка не должна превышать 50×10-9, а хотя бы для одной исследовательской группы — 20×10-9.
Как измерить постоянную Планка
Ученые из Национального института стандартов и технологий США решили использовать для уточнения постоянной Планка весы Киббла. Их конструкция была разработана Брайаном Кибблом, специалистом Национальной физической лаборатории Великобритании, еще в 1975 году. В таких весах поддон, на который устанавливается эталон, прикреплен к катушке, расположенной между двумя сильными постоянными магнитами. Подавая ток на катушку, ученые создают магнитное поле, которое при определенной силе тока уравновешивает силу тяжести, действующую на груз. Поскольку масса эталона и величина подаваемого на катушку тока известны, с помощью уравнения ватт-баланса можно вычислить постоянную Планка с высокой точностью.
В последнее время физики накопили статистические данные по таким измерениям, а также немного переработали физическую модель, в частности, пересмотрели влияние магнитного поля катушки на установку. Тридцатого июня специалисты NIST опубликовали статью, в которой заявили, что им удалось измерить постоянную Планка с точностью до 13 миллиардных долей (13×10-9), что удовлетворяет требованием резолюции о переопределении величин.
Второй подход разработали в Национальном метрологическом институте Германии. Там создали практически идеально гладкие сферы из кремния диаметром около 93,5 миллиметра с шероховатостью, не превышающей трех десятых нанометра, и отклонениями от сферической формы до нескольких десятков нанометров. Это настолько мало, что если такую сферу масштабировать до размеров Земли, отклонения от идеально ровной формы не будут превышать нескольких метров. Сферы сделаны из монокристалла кремния, причем одного изотопа — 28SI. Кремний был выбран из-за того, что благодаря развитой полупроводниковой промышленности существуют методы получения кремниевых объектов практически идеального строения. Примесей в такой сфере настолько мало, что его масса отличается от идеальной меньше, чем на одну десятимиллионную долю грамма.
Поскольку сферу можно считать практически идеальной с точки зрения кристаллического строения и состава, а ее масса равна массе эталона килограмма, то, точно измерив ее размер, период кристаллической решетки и плотность упаковки атомов, ученые могут узнать количество атомов в ней. Исходя из этого можно получить число Авогадро, а затем постоянную Планка. На данный момент ученые смогли измерить число Авогадро с неопределенностью в 20 миллиардных долей.
Помимо этих двух групп, существуют и другие. Например, физики из Национального исследовательского института Канады также используют весы Киббла и, по их данным, достигли даже большей точности — 9,1 миллиардных доли.
Таким образом, заявляемые различными группами результаты удовлетворяют требованиям резолюции 2011 года и дают основания полагать, что переход от эталона к новому определению все-таки состоится в конце 2018 года...
ФГУП «ВНИИМ ИМ. Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА» Направления совершенствования ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ в период подготовки к переопределению основных единиц СИ... ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ НОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИЛОГРАММА
ЧЕРЕЗ ПОСТОЯННУЮ ПЛАНКА
• измеренную с помощью ватт-весов, джоуль-весов
• измеренную с помощью установки с левитирующим телом в поле сверхпроводящего магнита
ЧЕРЕЗ ПОСТОЯННУЮ АВОГАДРО
• измеренную на основе моноизотопного монокристалла кремния 28Si
ПЕРЕОПРЕДЕЛЕНИЕ КИЛОГРАММА ОСНОВНЫЕ УЧАСТНИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
IAC XRCD Международный комитет по координации работ по определению постоянной Авогадро (IAC) с использованием метода рентгеновского анализа плотности кристалла (XRCD). (страны-участники:
BIPM, INRIM (Италия), the IRMM (Бельгия), the NIST (США), the NMIA (Австралия), the NMIJ/AIST (Япония), the NPL (Великобритания) и PTB (Германия) NIST (США) ватт-весы – определено 3 значения
NRC (Канада) ватт-весы сейчас - 35 ppb ожидание - 25 ppb к дек. 2014 г.
METAS (Швейцария) ватт-весы Mk II 50 ppb последняя цель - 10 ppb
LNE (Франция) ватт-весы - 100 ppb в 2013 г., 50 ppb в 2015 г. , ~75 ppb к дек. 2014?
МБМВ ватт-весы < 50 ppb к 2018 г.
NIM (Китай) джоуль-весы, нет опубликованных результатов, цель <100 ppb к 2019 г.
MSL (Новая Зеландия) ватт-весы - первые измерения 2014 г. , но нет опубликованных результатов, цель 10ppb
KRISS (Корея) ватт-весы – ожидает результаты к 2017 г.
NMIJ (Япония),
NPLI (Индия),
PTB (Германия) ватт-весы ведутся работы
РЕАЛИЗАЦИЯ НА ОСНОВЕ ВАТТ-ВЕСОВ (примеры)...
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ПОДГОТОВКА К ПЕРЕОПРЕДЕЛЕНИЮ КИЛОГРАММА
Безусловное значительное отставание. Подготовительные работы НИР «Масса-ФФК» (2015-2016 г.г.) в рамках ФЦП основной исполнитель ВНИИМ соисполнитель ВНИИОФИ
НИОКР «Создание и внедрение системы передачи единицы массы от ГПЭ килограмма с помощью вакуумного компаратора и создание группового эталона единицы массы на основе рекомендаций Консультативного Комитета по Массе» (2017-2018 гг., 210 млн.руб.)
Результаты:
Создание группового эталона единицы массы на основе артефактов из различных материалов (монокристаллический кремний, нержавеющая сталь, и др., рекомендованные ККМ) в т. ч.малой массы (от 50 до 900 мкг) для исследования долговременной - на протяжении десятков лет - стабильности.
Оснащение лаборатории средствами для исследования структурных изменений артефактов.
НИОКР «Теоретические и экспериментальные исследования, направленные на создание
эталонных систем для реализации определения килограмма на основе стабильных физических постоянных» (2018-2024 гг., 900 млн.руб.)
Результаты:
Создание эталонных систем эталона килограмма, реализующих новое определение единицы массы на основе постоянной Планка и постоянной Авогадро, и совершенствование эталонов единиц механических, электрических, магнитных величин и единицы температуры, необходимое для реализации нового определения килограмма....
еще
https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-introduction