Платиновый эталон метра и килограмма

Платиновый эталон метра и килограмма — это исторические физические эталоны основных единиц Международной системы единиц (СИ), изготовленные из платино-иридиевого сплава и хранившиеся в Международном бюро мер и весов (МБМВ) во Франции. Они служили материальными воплощениями метра и килограмма с конца XIX века до конца XX — начала XXI века, когда были заменены определениями, основанными на фундаментальных физических константах. Платиновые эталоны стали символом перехода от произвольных, антропоцентричных мер к универсальным, научно обоснованным единицам.

История создания

Предпосылки и Метрическая конвенция

К середине XIX века разрозненность национальных систем мер создавала серьёзные препятствия для международной торговли, науки и промышленности. Во Франции после Великой французской революции была введена метрическая система, основанная на природных эталонах: метр определялся как одна десятимиллионная часть четверти Парижского меридиана, а килограмм — как масса кубического дециметра дистиллированной воды при 4 °C. Однако практические эталоны, изготовленные из платины (метр 1799 года и килограмм 1799 года, так называемые «архивные»), были несовершенны и со временем изнашивались.

В 1875 году 17 государств, включая Российскую империю, подписали Метрическую конвенцию, учредившую Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре (пригород Парижа). Задачей бюро стало создание и хранение новых, более точных и стабильных международных эталонов метра и килограмма.

Выбор материала

Для изготовления эталонов требовался материал, обладающий высокой химической стойкостью, твёрдостью, минимальным коэффициентом теплового расширения и долговременной стабильностью размеров. Чистая платина была слишком мягкой и дорогой, а также имела нежелательную пористость. Оптимальным решением стал сплав платины (90 %) с иридием (10 %). Иридий повышал твёрдость, упругость и коррозионную стойкость сплава, а также снижал коэффициент теплового расширения. Этот сплав, известный как «платино-иридий», оказался одним из самых стабильных материалов, доступных в то время.

Изготовление эталонов

В период с 1875 по 1889 год на лондонской фирме «Джонсон, Мэтти и Ко» (Johnson Matthey & Co) было изготовлено несколько десятков платино-иридиевых эталонов метра и килограмма. Процесс включал выплавку сплава в вакуумной печи, горячую ковку, прокатку, механическую обработку и точную доводку до номинальных размеров. Для эталонов метра изготавливались бруски Х-образного поперечного сечения (профиль Треска), что обеспечивало максимальную жёсткость при минимальном количестве материала и позволяло точно измерять расстояние между двумя концами. Эталоны килограмма имели форму прямого кругового цилиндра высотой, равной диаметру (около 39 мм), что минимизировало площадь поверхности и, следовательно, влияние загрязнений и износа.

Принятие в 1889 году

На Первой Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1889 году были официально утверждены новые международные эталоны. Один из брусков метра и одна из гирь килограмма были выбраны в качестве Международного прототипа метра и Международного прототипа килограмма (часто называемого «Le Grand K» — «Большое К»). Они были помещены в сейф под тремя стеклянными колпаками в подвале МБМВ. Остальные эталоны были распределены между странами-участницами Конвенции как национальные копии, которые периодически сверялись с международным прототипом.

Характеристики и устройство

Платиновый эталон метра

Международный прототип метра представлял собой брусок из платино-иридиевого сплава (90 % Pt, 10 % Ir) длиной 102 см и поперечным сечением в форме буквы «X» (высотой около 4 см). Расстояние между двумя концами бруска при температуре 0 °C (температура таяния льда) и нормальном атмосферном давлении определялось как 1 метр. На концах бруска были нанесены точные штрихи, расстояние между которыми и являлось эталоном. Форма бруска была выбрана для минимизации деформаций при изменении температуры и для обеспечения жёсткости. Брусок хранился в специальном футляре, исключающем контакт с руками и пылью.

Платиновый эталон килограмма

Международный прототип килограмма представлял собой гирю в форме прямого кругового цилиндра высотой и диаметром 39 мм, изготовленную из того же платино-иридиевого сплава. Его масса была определена как масса 1 кубического дециметра воды при 4 °C (с точностью, достижимой в XIX веке). Цилиндрическая форма была выбрана для минимизации площади поверхности, что снижало адсорбцию загрязнений и износ при обращении. Гиря хранилась под тремя герметичными стеклянными колпаками в сейфе с контролируемой атмосферой. Доступ к ней был возможен только с помощью специальных щипцов, чтобы избежать загрязнения кожным жиром.

Проблемы и замена

Нестабильность материальных эталонов

К концу XX века стало очевидно, что материальные эталоны имеют принципиальные недостатки:

• Изменение массы: Сравнение национальных копий с Международным прототипом килограмма, проводившееся раз в 40 лет, показывало, что их массы расходятся на десятки микрограммов. Причинами могли быть адсорбция газов из атмосферы, эрозия поверхности при чистке, потеря материала при контакте или, наоборот, накопление загрязнений. Установить, изменился ли сам прототип или его копии, было невозможно.
• Износ и повреждения: Материальные эталоны подвержены царапинам, сколам и коррозии. Даже микроскопические повреждения влияли на их точность.
• Неуниверсальность: Эталон, хранящийся в одном месте на Земле, не мог быть утерян или уничтожен без возможности восстановления. Это делало всю систему мер уязвимой.

Переход к определениям на основе констант

В 1960 году метр был переопределён через длину волны излучения криптона-86, а в 1983 году — через скорость света в вакууме. Платиновый эталон метра утратил статус первичного эталона, но оставался вторичным для поверки. Килограмм оставался последней единицей СИ, определяемой через материальный артефакт.

Научное сообщество признало, что для обеспечения долговременной стабильности и воспроизводимости единиц необходимо связать их с фундаментальными физическими константами. После десятилетий исследований, в 2018 году на 26-й ГКМВ было принято решение о переопределении килограмма на основе постоянной Планка (h) с использованием весов Киббла. Новое определение вступило в силу 20 мая 2019 года.

Значение и наследие

Платиновые эталоны метра и килограмма сыграли ключевую роль в унификации измерений во всём мире. Они стали основой для развития точного машиностроения, физики, химии, торговли и промышленности. На протяжении 130 лет они служили единственным и неизменным (насколько это было возможно) эталоном массы, от которого зависели все остальные измерения массы на планете. Их замена на определения, основанные на константах, знаменует собой переход к эпохе, когда единицы измерений не зависят от конкретных предметов, а являются неотъемлемой частью законов физики. Сами платиновые прототипы, хотя и утратили статус первичных эталонов, продолжают храниться в МБМВ как исторические артефакты и используются для калибровки вторичных эталонов.

Интересные факты

• Международный прототип килограмма известен как «Le Grand K» (Большое К) или «Kilogramme des Archives» (Архивный килограмм), хотя последнее название более относится к его предшественнику 1799 года.
• Платино-иридиевый сплав, использованный для эталонов, настолько твёрд, что его обработка в XIX веке была чрезвычайно сложной и требовала специальных инструментов.
• Для чистки эталонов использовался специальный метод: их протирали замшей, смоченной в смеси спирта и эфира, а затем выдерживали в вакууме.
• В 1990-х годах было обнаружено, что масса Международного прототипа килограмма, вероятно, уменьшилась на несколько десятков микрограммов по сравнению с его копиями, что и стало одним из главных стимулов для переопределения единицы.

Источники

1. Международное бюро мер и весов (BIPM). «The International System of Units (SI)», 9th edition, 2019.
2. Quinn, T. J. «From Artefacts to Atoms: The BIPM and the Search for Ultimate Measurement Standards». Oxford University Press, 2012.
3. «Метрическая конвенция и Международное бюро мер и весов». М.: Издательство стандартов, 1975.
4. Davis, R. S. «The SI unit of mass». Metrologia, 2003, 40, 299–305.
5. Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM). Резолюции 1-й (1889), 11-й (1960), 17-й (1983) и 26-й (2018) сессий.