Открыть сервис
Главная → Блог → Платино-иридиевый прототип килограмма

Платино-иридиевый прототип килограмма

Платино-иридиевый прототип килограмма — это эталон массы, изготовленный из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), который с 1889 по 2019 год служил международным определением единицы массы в системе СИ. Он представлял собой цилиндр высотой и диаметром около 39 мм, хранившийся в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в Севре, Франция. До 20 мая 2019 года килограмм определялся как масса именно этого прототипа, что делало его последней физической единицей СИ, привязанной к артефакту, а не к фундаментальным константам.

История создания

Предпосылки

В конце XVIII века, после Французской революции, была введена метрическая система, в которой килограмм изначально определялся как масса одного кубического дециметра (литра) дистиллированной воды при температуре 4 °C. Однако практическое использование этого определения было затруднено из-за нестабильности воды, её чувствительности к температуре, давлению и изотопному составу. Для метрологии требовался стабильный, воспроизводимый и долговечный эталон.

Разработка и изготовление

В 1870-х годах Международная комиссия по метру (предшественник МБМВ) приняла решение создать материальный эталон килограмма из сплава платины с иридием. Выбор сплава был обусловлен его высокой коррозионной стойкостью, твёрдостью и минимальным тепловым расширением. Платина обеспечивала химическую инертность, а иридий — механическую прочность и устойчивость к деформациям.

Изготовление прототипов было поручено британской компании Johnson Matthey (Лондон). В 1879 году были отлиты три слитка сплава, из которых затем выточили 43 цилиндра. После тщательной полировки и гравировки они были переданы в МБМВ. Один из них, обозначенный как «Килограмм № 1» (или «Le Grand K»), был официально принят в 1889 году на 1-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в качестве международного прототипа килограмма. Остальные 42 экземпляра были распределены между странами-участницами как национальные эталоны.

Определение и статус

С 1889 года килограмм в системе СИ определялся как «единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». Это определение было закреплено в резолюциях ГКМВ и действовало до 2019 года. Прототип хранился в специальном сейфе в подвале МБМВ при строго контролируемых условиях: постоянная температура (около 20 °C), влажность и защита от пыли. Доступ к нему имели только три человека, каждый из которых хранил свой ключ от сейфа.

Конструкция и характеристики

Геометрия и размеры

Прототип представлял собой правильный цилиндр с закруглёнными краями. Его высота составляла 39,17 мм, диаметр — 39,17 мм. Такая форма была выбрана для минимизации износа и упрощения изготовления. Цилиндр имел три плоские грани: одна на верхней поверхности, две на нижней — для устойчивости при взвешивании.

Состав сплава

Сплав состоял из 90 % платины и 10 % иридия (по массе). Платина обеспечивала химическую инертность, а иридий — твёрдость и устойчивость к царапинам. Плотность сплава составляла около 21,5 г/см³, что делало его значительно тяжелее воды и позволяло легко обнаруживать даже минимальные изменения массы.

Маркировка

На верхней поверхности прототипа была выгравирована надпись «KILOGRAMME» и год «1889». На боковой поверхности — знак МБМВ и номер «1». Национальные копии имели аналогичную маркировку с указанием страны-владельца.

Проблемы и критика

Нестабильность массы

Главной проблемой платино-иридиевого прототипа была его нестабильность. Несмотря на высокую химическую стойкость, за десятилетия хранения на его поверхности накапливались загрязнения (пыль, масла, адсорбированные газы), а также происходили микроскопические потери металла из-за истирания при очистке. По оценкам, масса прототипа могла изменяться на 50–100 микрограммов (мкг) за столетие. Для сравнения: масса одного волоска человека составляет около 50 мкг.

Сравнение с национальными эталонами

Периодически (раз в 40–50 лет) национальные эталоны сравнивались с международным прототипом. Эти сравнения выявили, что масса некоторых копий отклонялась от оригинала на величину до 50 мкг. При этом было невозможно определить, какой из эталонов изменился — международный или национальные. Это создавало неопределённость в метрологии, особенно для точных научных измерений.

Зависимость от физического объекта

Определение килограмма через конкретный артефакт имело фундаментальный недостаток: если бы прототип был повреждён, утерян или уничтожен, вся система единиц массы была бы нарушена. Кроме того, эталон нельзя было воспроизвести в другом месте без прямого сравнения с оригиналом.

Замена на фундаментальные константы

Поиск альтернативы

С 1970-х годов метрологи начали искать способ переопределения килограмма через фундаментальные физические константы. Основными кандидатами были постоянная Планка (h), число Авогадро (NA) и масса атома углерода-12. Наиболее перспективным оказался метод, основанный на постоянной Планка, с использованием ватт-весов (или баланса Киббла).

Решение 2018 года

На 26-й Генеральной конференции по мерам и весам (2018 год) было принято решение переопределить килограмм через фиксированное значение постоянной Планка: h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ Дж·с. Новое определение вступило в силу 20 мая 2019 года. С этого момента килограмм стал определяться как «единица массы, равная массе, соответствующей фиксированному численному значению постоянной Планка».

Судьба прототипа

После переопределения платино-иридиевый прототип утратил статус эталона, но остался историческим артефактом. Он продолжает храниться в МБМВ и используется для калибровки вторичных эталонов, но его масса больше не определяет единицу измерения. Национальные копии также сохраняются как вторичные эталоны.

Национальные копии и их значение

Распределение

Из 42 изготовленных копий 40 были переданы странам-участницам Метрической конвенции. Россия получила два прототипа: № 12 (основной) и № 26 (резервный). Они хранились во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге.

Использование

Национальные копии использовались для поверки и калибровки рабочих эталонов массы в каждой стране. Они регулярно отправлялись в Севр для сравнения с международным прототипом. После 2019 года они продолжают использоваться, но их масса теперь сравнивается с новым определением через постоянную Планка.

Технические характеристики

Российские копии изготовлены из того же сплава (90 % Pt, 10 % Ir) и имеют те же размеры. Они хранятся в специальных контейнерах при контролируемой температуре и влажности. Периодически (раз в 10–20 лет) они подвергаются очистке и повторному взвешиванию.

Интересные факты

  • Масса прототипа была определена с точностью до 0,001 мг (1 мкг) при его изготовлении.
  • Прототип никогда не извлекался из сейфа без крайней необходимости. Для его взвешивания использовались специальные щипцы, чтобы избежать загрязнения.
  • В 1990-х годах было обнаружено, что масса прототипа уменьшилась примерно на 50 мкг по сравнению с его копиями. Причина до конца не установлена, но предполагается, что это связано с потерей металла при очистке.
  • Сплав «платина-иридий» используется не только в метрологии, но и в ювелирном деле, химической промышленности и медицине благодаря своей коррозионной стойкости.

Источники

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы