Платино-иридиевые эталоны

Платино-иридиевые эталоны — это группа материальных объектов (гирь, стержней, линеек), изготовленных из сплава платины и иридия, которые в XIX—XX веках использовались в качестве международных и национальных эталонов основных единиц Международной системы единиц (СИ), прежде всего — единицы массы (килограмма) и единицы длины (метра). Выбор данного сплава был обусловлен его уникальными физико-химическими свойствами: высокой плотностью, коррозионной стойкостью, твёрдостью, минимальным температурным расширением и стабильностью размеров во времени.

История создания

Предпосылки появления

К середине XIX века, в связи с развитием промышленности и торговли, возникла острая необходимость в унификации мер длины и массы. Существовавшие национальные эталоны (например, французский «метр архива» и «килограмм архива» из платины) были несовершенны: они имели недостаточную точность, подвергались износу и коррозии. В 1867 году на заседании Международной геодезической ассоциации в Берлине было предложено создать единую международную систему эталонов на основе метрической системы.

Разработка сплава

В 1870-х годах Международный комитет мер и весов (МКМВ) поручил британской фирме Johnson Matthey & Co. разработать материал для эталонов. После серии экспериментов был выбран сплав, содержащий 90 % платины и 10 % иридия. Платина обеспечивала химическую инертность и высокую плотность, а иридий — твёрдость и упругость, что снижало риск деформации. Сплав оказался настолько успешным, что впоследствии применялся и для других эталонов, например, для эталонов электрического сопротивления.

Изготовление и утверждение

В 1879 году было отлито 40 заготовок для эталонов килограмма и 30 — для эталонов метра. После механической обработки, полировки и метрологических испытаний в 1889 году на Первой Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) были утверждены международные прототипы:

• Международный прототип метра — стержень из платино-иридиевого сплава с X-образным поперечным сечением (для жёсткости), длиной 1 метр при температуре 0 °C.
• Международный прототип килограмма — цилиндр диаметром 39 мм и высотой 39 мм, массой 1 кг.

Эти прототипы были переданы на хранение в Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре (Франция). Остальные экземпляры были розданы странам-участницам в качестве национальных эталонов.

Устройство и характеристики

Сплав Pt‑Ir (90/10)

• Состав: 90 % платины (Pt), 10 % иридия (Ir) по массе.
• Плотность: ~21,5 г/см³ (близка к плотности платины, но выше за счёт иридия).
• Твёрдость: по шкале Виккерса — около 200–250 HV, что значительно выше, чем у чистой платины.
• Температурный коэффициент линейного расширения: ~8,9×10⁻⁶ K⁻¹ (очень мал, что важно для эталонов длины).
• Коррозионная стойкость: практически не окисляется на воздухе, устойчив к кислотам (кроме царской водки).

Конструкция эталонов

• Килограмм: цилиндр с закруглёнными краями, чтобы избежать сколов. На верхней плоскости выгравирован номер (например, № 1 — международный, № 12 — российский).
• Метр: стержень с X-образным сечением (так называемый «трапециевидный профиль»), что обеспечивает максимальную жёсткость при минимальном весе. На концах нанесены штрихи, расстояние между которыми при 0 °C и составляет 1 метр.

Применение и роль в метрологии

Эталон массы

Международный прототип килограмма (МПК) служил определением единицы массы в СИ с 1889 по 2019 год. Согласно определению, «килограмм равен массе международного прототипа килограмма». Это означало, что любое изменение массы эталона (например, из-за адсорбции загрязнений или потери вещества) влекло за собой изменение всей системы единиц. Национальные эталоны (например, российский № 12) калибровались по МПК раз в 40–50 лет.

Эталон длины

Международный прототип метра использовался до 1960 года, когда метр был переопределён через длину волны излучения криптона-86. Однако платино-иридиевые линейки продолжали применяться в качестве вторичных эталонов в некоторых странах до 1980-х годов.

Другие применения

Из платино-иридиевого сплава изготавливались также эталоны электрического сопротивления (например, ом), эталоны ёмкости и индуктивности, а также гири для высокоточных весов в научных лабораториях.

Проблемы и замена

Дрейф массы

Главной проблемой платино-иридиевого эталона килограмма оказалась его нестабильность. За 130 лет масса МПК изменилась на 50–100 мкг (0,005–0,01 %) по сравнению с копиями. Причины: адсорбция газов из воздуха, микроэрозия при очистке, потеря вещества при контакте с инструментами. Это противоречило требованию неизменности эталона.

Переопределение СИ

В 2011 году ГКМВ приняла решение переопределить килограмм через фундаментальные физические константы. С 20 мая 2019 года килограмм определяется через постоянную Планка (h). Платино-иридиевый прототип утратил статус первичного эталона, но сохранился как исторический артефакт и вторичный эталон.

Судьба эталонов метра

Платино-иридиевые эталоны метра были заменены ещё раньше — в 1960 году, когда метр определили через длину волны излучения атома криптона-86, а затем (в 1983 году) — через скорость света.

Интересные факты

• Российский эталон килограмма № 12, изготовленный в 1889 году, хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге. Он считается одним из самых стабильных национальных эталонов.
• Платино-иридиевые эталоны килограмма хранятся в специальных трёхслойных стеклянных колпаках в сейфах при строго контролируемой температуре и влажности.
• Сплав Pt‑Ir (90/10) до сих пор используется в некоторых областях, где требуется высокая коррозионная стойкость и твёрдость, например, в медицинских имплантатах и электродах для свечей зажигания.
• В 2019 году, после переопределения килограмма, международный прототип был помещён в музей МБМВ, но остаётся доступным для метрологических исследований.

Источники

• «Международная система единиц (СИ)», 9-е издание, Брошюра SI, 2019.
• «История метрологии: от древности до наших дней», под ред. В. А. Брюханова, 2015.
• «Платино-иридиевые сплавы в метрологии», журнал «Метрология», № 3, 2008.
• «The International Prototype Kilogram», BIPM, 2018.
• «Эталоны единиц физических величин», ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, 2020.