2018 pode ser chamado de ano fatídico na metrologia, pois este é o momento de uma verdadeira revolução tecnológica no sistema internacional de unidades de grandezas físicas SI. Trata-se de revisar as definições das principais grandezas físicas. Um quilo de batatas no supermercado agora pesará de uma nova maneira? Batatas C será o mesmo. Algo mais vai mudar.
Antes do sistema SI
Padrões comuns em pesos e medidas eram necessários nos tempos antigos. Mas as regras gerais para medições tornaram-se especialmente necessárias com o advento do progresso científico e tecnológico. Os cientistas precisavam falar em uma linguagem comum: um pé tem quantos centímetros? E o que é um centímetro na França quando não é o mesmo que italiano?
A França pode ser chamada de veterana honorária e vencedora de batalhas metrológicas históricas. Foi na França em 1791 que o sistema de medição foi oficialmente aprovado e suaunidades, e as definições das principais grandezas físicas foram descritas e endossadas como documentos estaduais.
Os franceses foram os primeiros a entender que as quantidades físicas deveriam estar vinculadas aos objetos naturais. Por exemplo, um metro foi descrito como 1/40.000.000 do comprimento do meridiano de norte a sul em direção ao equador. Ele estava ligado, assim, ao tamanho da Terra.
Um grama também foi associado a fenômenos naturais: foi definido como a massa de água em um centímetro cúbico a um nível de temperatura próximo de zero (derreter do gelo).
Mas, como se viu, a Terra não é uma bola perfeita, e a água em um cubo pode ter uma variedade de propriedades se contiver impurezas. Portanto, os tamanhos dessas quantidades em diferentes partes do planeta diferiram ligeiramente entre si.
No início do século 19, os alemães, liderados pelo matemático Karl Gauss, entraram no negócio. Ele propôs atualizar o sistema de medidas centímetro-grama-segundo, e desde então as unidades métricas entraram no mundo, na ciência e foram reconhecidas pela comunidade internacional, um sistema internacional de unidades de quantidades físicas foi formado.
Decidiu-se substituir o comprimento do meridiano e a massa de um cubo de água pelos padrões que estavam armazenados no Bureau de Pesos e Medidas de Paris, com distribuição de cópias aos países participantes da métrica convenção.
Quilograma, por exemplo, parecia um cilindro feito de uma liga de platina e irídio, que no final também não se tornou uma solução ideal.
O sistema internacional de unidades de grandezas físicas SI foi formado em 1960. No início, incluía seisquantidades básicas: metros e comprimento, quilogramas e massa, tempo em segundos, intensidade da corrente em amperes, temperatura termodinâmica em kelvins e intensidade luminosa em candelas. Dez anos depois, mais um foi adicionado a eles - a quantidade de uma substância, medida em mols.
É importante saber que todas as outras unidades de medida das grandezas físicas do sistema internacional são consideradas derivadas das básicas, ou seja, podem ser calculadas matematicamente usando as grandezas básicas do sistema SI.
Fora dos padrões
Os padrões físicos acabaram não sendo o sistema de medição mais confiável. O próprio padrão do quilograma e suas cópias por país são periodicamente comparados entre si. As reconciliações mostram mudanças nas massas desses padrões, o que ocorre por vários motivos: poeira durante a verificação, interação com o estande ou qualquer outra coisa. Os cientistas notaram essas nuances desagradáveis há muito tempo. Chegou a hora de revisar os parâmetros das unidades de grandezas físicas do sistema internacional em metrologia.
Portanto, algumas definições de grandezas mudaram gradativamente: os cientistas tentaram fugir dos padrões físicos, que de uma forma ou de outra alteravam seus parâmetros ao longo do tempo. A melhor maneira é derivar quantidades em termos de propriedades imutáveis, como a velocidade da luz ou mudanças na estrutura dos átomos.
Na véspera da revolução no sistema SI
As principais mudanças tecnológicas no sistema internacional de unidades de grandezas físicas são realizadas através da votação dos membros do Bureau Internacional de Pesos e Medidas na conferência anual. Se aprovadas, as alterações entrarão em vigor após algunsmeses.
Tudo isso é extremamente importante para cientistas cujas pesquisas e experimentos exigem a máxima precisão nas medições e formulações.
Os novos padrões de referência de 2018 ajudarão a alcançar o mais alto nível de precisão em qualquer medição em qualquer lugar, tempo e escala. E tudo isso sem perda de precisão.
Redefinindo quantidades no sistema SI
Refere-se a quatro das sete grandezas físicas básicas operacionais. Foi decidido redefinir as seguintes quantidades com unidades:
- quilograma (massa) usando as unidades da constante de Planck na expressão;
- ampere (corrente) com medição de carga;
- kelvin (temperatura termodinâmica) com expressão unitária usando a constante de Boltzmann;
- mole pela constante de Avogadro (quantidade de substância).
Para as três grandezas restantes, a redação das definições será alterada, mas sua essência permanecerá in alterada:
- metro (comprimento);
- segundo (tempo);
- candela (intensidade da luz).
Muda com Amp
O que é o ampère como unidade de grandezas físicas no sistema internacional SI hoje, foi proposto em 1946. A definição estava atrelada à força da corrente entre dois condutores no vácuo a uma distância de um metro, especificando todas as nuances dessa estrutura. A imprecisão e a medição incômoda são as duas principais características dessa definição do ponto de vista atual.
Na nova definição, um ampere é uma corrente elétrica igual afluxo de um número fixo de cargas elétricas por segundo. A unidade é expressa em cargas de elétrons.
Para determinar o ampere atualizado, é necessária apenas uma ferramenta - a chamada bomba de um único elétron, que é capaz de mover elétrons.
Nova toupeira e pureza de silício 99,9998%
A antiga definição de mol está relacionada à quantidade de matéria igual ao número de átomos em um isótopo de carbono com massa de 0,012 kg.
Na nova versão, esta é a quantidade de uma substância que está contida em um número precisamente definido de unidades estruturais especificadas. Essas unidades são expressas usando a constante de Avogadro.
Há também muitas preocupações com o número de Avogadro. Para calculá-lo, decidiu-se criar uma esfera de silício-28. Este isótopo de silício distingue-se pela sua estrutura cristalina precisa com perfeição. Portanto, o número de átomos nele pode ser contado com precisão usando um sistema de laser que mede o diâmetro de uma esfera.
Pode-se, é claro, argumentar que não há diferença fundamental entre uma esfera de silício-28 e a atual liga de platina-irídio. Tanto isso como outra substância perdem átomos a tempo. Perde, certo. Mas o silício-28 está perdendo-os a uma taxa previsível, então ajustes serão feitos na referência o tempo todo.
O mais puro silício-28 para a esfera foi obtido recentemente nos EUA. Sua pureza é de 99,9998%.
E agora Kelvin
Kelvin é uma das unidades de grandezas físicas no sistema internacional e é usado para medir o nível de temperatura termodinâmica. "À moda antiga" é igual a 1/273, 16partes da temperatura do ponto triplo da água. O ponto triplo da água é um componente extremamente interessante. Este é o nível de temperatura e pressão em que a água está em três estados ao mesmo tempo - “vapor, gelo e água.”
A definição de "mancava nas duas pernas" pelo seguinte motivo: o valor de kelvin depende principalmente da composição da água com uma razão isotópica teoricamente conhecida. Mas na prática era impossível obter água com tais características.
O novo kelvin será definido da seguinte forma: um kelvin é igual a uma variação na energia térmica de 1,4 × 10−23j. As unidades são expressas usando a constante de Boltzmann. Agora o nível de temperatura pode ser medido fixando a velocidade do som na esfera de gás.
Quilograma sem padrão
Já sabemos que em Paris existe um padrão de platina com irídio, que de alguma forma mudou seu peso durante seu uso na metrologia e no sistema de unidades de grandezas físicas.
A nova definição do quilograma é: Um quilograma é expresso como a constante de Planck dividida por 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
A medição da massa agora pode ser feita na escala "watt". Não se deixe enganar pelo nome, estas não são as balanças usuais, mas a eletricidade, que é suficiente para levantar um objeto que está do outro lado da balança.
Mudanças nos princípios de construção de unidades de grandezas físicas e seu sistema como um todo são necessárias, antes de tudo, nos campos teóricos da ciência. Os principais fatores no sistema atualizadoagora são constantes naturais.
Esta é a conclusão lógica de muitos anos de atividade de um grupo internacional de cientistas sérios, cujos esforços por muito tempo visavam encontrar medidas ideais e definições de unidades baseadas nas leis da física fundamental.
