Эталон килограмма

Эталон килограмма — это материальный объект или совокупность измерительных средств, воспроизводящих, хранящих и передающих единицу массы — килограмм — с наивысшей на данный момент точностью, доступной метрологической науке. Эталон служит физической основой для обеспечения единства измерений массы в стране или в международном масштабе.

История

Предыстория и метрическая система

До конца XVIII века в мире не существовало единой системы мер. Каждая страна, а часто и регион, использовали собственные единицы массы, основанные на различных природных или произвольных эталонах (например, зерно пшеницы, фунт, либра). С развитием торговли и науки возникла потребность в универсальной и воспроизводимой системе.

В 1790 году Национальное собрание Франции поручило Французской академии наук разработать новую систему мер. В основу единицы массы было решено положить кубический дециметр (литр) дистиллированной воды при температуре её максимальной плотности (4 °C). В 1795 году во Франции был законодательно введён килограмм, определённый как масса 1 дм³ чистой воды. Однако практическое использование этого определения было затруднено из-за зависимости плотности воды от температуры, давления и изотопного состава.

Платиновый эталон (1799–1889)

В 1799 году из платины был изготовлен первый материальный эталон килограмма — цилиндр, масса которого была максимально приближена к массе 1 дм³ воды. Этот эталон, известный как «Килограмм Архивов» (Kilogramme des Archives), был помещён на хранение в Национальный архив Франции. Он стал первым в истории официальным эталоном килограмма, просуществовавшим почти 90 лет.

Международный прототип килограмма (1889–2019)

С развитием промышленности и науки требования к точности измерений возросли. В 1875 году 17 стран, включая Российскую империю, подписали Метрическую конвенцию, учредив Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре (Франция). В 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) был утверждён новый эталон — Международный прототип килограмма (МПК).

МПК представлял собой цилиндр высотой 39 мм и диаметром 39 мм, изготовленный из сплава платины (90 %) и иридия (10 %). Этот сплав был выбран из-за высокой коррозионной стойкости, твёрдости и стабильности размеров. Из одной отливки было изготовлено 42 эталона, из которых один (№ 6) был признан международным, а остальные (копии) розданы странам-участницам. Россия получила копии № 11 и № 12.

Определение килограмма было сформулировано так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». Таким образом, эталон был не просто артефактом, а самим определением единицы.

Проблемы артефактного эталона

На протяжении XX века было замечено, что масса МПК и его национальных копий не остаётся абсолютно постоянной. Периодические сличения (примерно раз в 40 лет) показывали расхождения в десятки микрограммов (1 мкг = 10⁻⁹ кг). Причины этого до конца не выяснены: возможны загрязнение поверхности, потеря материала при чистке, адсорбция газов, изменение кристаллической структуры сплава. Главный недостаток артефактного эталона заключался в том, что он был единственным в мире объектом, точно определяющим килограмм. Любое изменение его массы влекло за собой изменение всей системы единиц.

Переопределение килограмма (2019)

Поиск альтернативы

С 1960-х годов метрологи начали искать способ привязать килограмм к фундаментальным физическим константам, чтобы сделать его универсальным, неизменным и воспроизводимым в любой лаборатории мира. Основными кандидатами стали:

• Постоянная Планка (h): Связывает энергию фотона с его частотой (E = hν). Через баланс Киббла (ватт-весы) можно измерить массу, используя электрические и квантовые эффекты (эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла).
• Число Авогадро (NA): Определяет количество атомов в одном моле вещества. Если изготовить сферу из монокристаллического кремния-28 с известной атомной массой и измерить её объём с высочайшей точностью, можно вычислить число атомов в ней и, следовательно, массу.

Решение 26-й ГКМВ

16 ноября 2018 года на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам было принято историческое решение: переопределить килограмм через фиксированное численное значение постоянной Планка (h). Новое определение вступило в силу 20 мая 2019 года — во Всемирный день метрологии.

Современное определение килограмма (с 2019 года) гласит:

Килограмм, символ кг, есть единица массы в СИ. Он определён путём фиксации численного значения постоянной Планка h равным 6,626 070 15 × 10⁻³⁴, выраженного в единицах Дж·с, что равно кг·м²·с⁻¹, где метр и секунда определены через c и ΔνCs.

Реализация нового определения

После переопределения килограмм больше не привязан к физическому объекту. Теперь он воспроизводится с помощью:

1. Балансов Киббла (ватт-весов): Высокоточные приборы, которые уравновешивают механическую силу (вес эталонной массы) с электромагнитной силой, создаваемой катушкой с током в магнитном поле. Измеряя электрические параметры (напряжение, ток) и используя квантовые эффекты для их привязки к постоянной Планка, можно вычислить массу с точностью до нескольких микрограммов.
2. Метод сферы из кремния-28: Измерение числа Авогадро через изготовление идеально гладкой сферы из высокочистого изотопа кремния-28. Зная объём сферы (через интерферометрию), её атомную массу и постоянную решётки, можно вычислить число атомов и, следовательно, массу.

Эталон килограмма в России

В Российской Федерации государственный эталон единицы массы — килограмма — находится во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге. Эталон является частью Государственного первичного эталона единицы массы (ГЭТ 3-2020).

До 2019 года в России использовались копии № 11 и № 12 Международного прототипа килограмма. После переопределения в 2019 году российский эталон был модернизирован. В его состав теперь входят:

• Национальный эталон, воспроизводимый с помощью баланса Киббла (разработка ВНИИМ).
• Набор эталонных гирь из платиноиридиевого сплава и нержавеющей стали, обеспечивающих передачу размера единицы массы рабочим эталонам и средствам измерений.

ГЭТ 3-2020 обеспечивает воспроизведение, хранение и передачу единицы массы с погрешностью, не превышающей нескольких микрограммов, что соответствует мировому уровню.

Значение и практическое применение

Эталон килограмма является фундаментом для всех измерений массы в науке, промышленности, торговле и повседневной жизни. От точности эталона зависят:

• Торговля: Точность весов на рынках, в магазинах и на предприятиях.
• Промышленность: Дозирование компонентов в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, контроль качества продукции.
• Наука: Эксперименты в физике, химии, биологии, где требуется высокая точность измерений массы (например, в нанотехнологиях, фармакокинетике).
• Медицина: Точность дозирования лекарств, работа аналитических весов в лабораториях.
• Оборона и космос: Калибровка измерительных приборов, расчёт топлива, баллистика.

Переопределение килограмма через фундаментальные константы устранило главный недостаток артефактного эталона — его нестабильность и уникальность. Теперь любой метрологический институт, оснащённый соответствующим оборудованием, может воспроизвести килограмм с точностью, не зависящей от времени и места.

Интересные факты

• Международный прототип килограмма (1889–2019) хранится в трёх герметичных стеклянных колпаках в сейфе МБМВ в Севре. Доступ к нему имеют только три человека, ключи от сейфа хранятся у разных лиц.
• За 130 лет существования МПК его масса изменилась примерно на 50 мкг (0,000005 %). Причина этого до сих пор является предметом научных дискуссий.
• В России до 1925 года использовался «русский фунт» (0,40951241 кг), который был заменён метрическим килограммом после введения метрической системы мер.
• Современные балансы Киббла позволяют измерять массу с точностью до 10⁻⁸ (0,000001 %).
• Переопределение килограмма в 2019 году стало одним из самых значительных событий в метрологии за последние 130 лет, наряду с переопределением метра через скорость света (1983).

Источники

1. Международное бюро мер и весов (BIPM). «The International System of Units (SI)». 9th edition, 2019.
2. Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ). «Государственный первичный эталон единицы массы (ГЭТ 3-2020)».
3. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). «ГОСТ 8.020-2015. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений массы».
4. Quinn, T. J. «From Artefacts to Atoms: The BIPM and the Search for Ultimate Measurement Standards». Oxford University Press, 2012.
5. Robinson, I. A., & Schlamminger, S. «The watt or Kibble balance: a technique for implementing the new SI definition of the unit of mass». Metrologia, 53(5), 2016.