سواء كنت واقفا على جداول الحمام، أو في السوق لشراء الأشياء، ونحن سوف تواجه كيلوغرام (كلغ) هذه الوحدات الجماعية. كيلوغرام واحد كم من ذلك؟ ربما سوف أقول لكم أن 1000 غرام، 2.20462 رطل 0.0685 أو الرخويات. ولكن السؤال هو كيف يمكننا تحديد هذه الكميات؟ وكيف ينبغي تحديد كجم في البلدان المختلفة استخدامها كل نفس؟
منذ عام 1889، المؤتمر العام الدول الأعضاء للأوزان والمقاييس (GCWM) سوف توافق على استعمال كبير K (لو غراند K) المعرفة كجم. K كبيرة كيلوغرام النموذج الدولي (IPK)، هو البلاتين - إيريديوم سبيكة اسطوانة. كانت مختومة في ثلاثة جرس الزجاج متداخلة، يتم تخزينها في مكان آمن داخل الفرنسية ساي الامناء BIPM (وBIPM) في.
كيلوغرام النموذج الدولي. | المصدر: BIPM
وعلى الرغم من كبير يتم تخزين K في بيئة تسيطر عليها إلى حد كبير، وزنها لا يزال تغيير طفيف جدا. لحل هذه المشكلة، أمضى العلماء في جميع أنحاء العالم منذ عقود من الزمن لمناقشة كيفية تحديد كيلوغرام وفقا للثابت الطبيعي وعالمية. الآن، وأخيرا جعل القرار.
K نسخة كبير من واحدة من --K92. حول كل 40 سنوات، وسوف يكون العلماء K كبير والنسخ للمقارنة. | المصدر: BIPM
16 نوفمبر، في المؤتمر 26 العام للأوزان والمقاييس، وممثلي 60 دولة عضوا صوتوا لصالح تمرير إعادة تعريف كيلوغرام:
فمن يساوي ثابت بلانك مقسوما على كيلوغرام واحد 6.62607015 10 -34 م 2 / الصورةثابت بلانك (المشار إليها بالحرف "ح") هو مكتوب من قبل هيكل ثابت إلى حد كبير من الكون، في أي موقف بغض النظر عن الكون، وقيمته لا تتغير. من التأثير الكهروضوئي الشمسي يعتمد، إلى النموذج الذري بور، لمبدأ الارتياب لهايزنبرج، يمكننا أن نرى وجود ثابت بلانك.
جودة، بلانك والبرت اينشتاين
في عام 1879، وماكس بلانك إيجابية لأطروحته على القانون الثاني للديناميكا الحرارية للرد. وفي العام نفسه، ولدت ألبرت أينشتاين. هذان علماء الفيزياء كبير ربما لن يفكر في عملهم، ووضع الأساس لتعريف القرن 21 للكيلوغرام.
في عام 1900، بلانك الفيزياء في القرن 19 في محاولة لحل مشكلة تعاني منها العديد من الفيزيائيين، اقترح "الكم" المفهوم. وقد تنبأت النظرية السائدة أن كائن معين (أي طول موجي أقصر، أقرب إلى جزء فوق البنفسجية من الطيف) في نطاق الترددات من الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث عند الإشعاع ستكون طاقة لانهائية، وهذا ما يسمى " كارثة الأشعة فوق البنفسجية . "يفترض بلانك أن الطاقة الكهرومغناطيسية وجود تردد معين إلا في عدد منفصلة (أي،" الكم ") الانبعاثات، والتي تتناسب مع الطاقة الآن يسمى ح ثابتة بلانك ل.
النظرية الكلاسيكية توقع نتيجة (الخط الأسود)، مقارنة مع نتائج (الأزرق والأخضر والأحمر) المستمدة من بلانك، بما يتفق مع صيغة بلانك القياسات الفيزيائية.
لذا، ما هو الرابط بين ثوابت الحياة في لتر من نوعية المياه والتنمية في وقت مبكر من ميكانيكا الكم المقترحة؟ وجد علماء الفيزياء أن الروابط العميقة بينهما مخبأة في اثنين من أكثر الصيغ الفيزياء الشهيرة.
واحدة هي الصيغة الشهيرة آينشتاين معادلة المادة والطاقة: E = mc ، أين E هي الطاقة، م هو كتلة، c هي سرعة الضوء. صيغة أخرى نسبيا غير معروفة، ولكن هذا هو أساس العلم الحديث، وهذا هو، E = h ، أين E هي الطاقة، والحرف اليوناني هو التردد، h غير ثابت بلانك. وهذه هي المرة الأولى في التاريخ على "الكم" الصيغة.
تكشف معادلة الكتلة والطاقة آينشتاين نوعية الطاقة يمكن استخدامها لفهم، وحتى قياسها كميا. ويظهر معادلة بلانك أن الطاقة قد يكون كائن (الفوتون) يتم ضرب من مضاعفات ح تردد يتم احتساب، ويجب أن يكون عدد صحيح متعددة، مثل 1،2،3. هذه المعادلة هو عدد صحيح مثل أن "الكم" هذه المادة هي كتل منفصلة اطلاق سراح (يسمى الكم) الطاقة، والطاقة التي يمكن تصورها حزمة حقيبة، أو مجموعة من حزمة من الطاقة.
الجمع بين هذه المعادلات اثنين، وحصلنا على فكرة منافية قيمة جدا: الجودة - حتى على مقياس من الأشياء كل يوم - يرتبط أساسا إلى h. ثابت بلانك ثانية جول (J ق). جول يساوي كيلو واحد الأوقات متر التربيعية مقسوما على مربع من ثانية (كغم م / ق ). من الواضح، من وحدة نرى الارتباط بينهما.
1931 سنة، وتجمع الحائز على جائزة نوبل للخمسة والثاني من اليسار، والمتوسطة هما آينشتاين وبلانك. | المصدر: المجال العام
جداول اطحن
على مدى عقود، منذ فترة طويلة كجم معروفة ويمكن تعريف علماء الفيزياء ثابت بلانك. ومع ذلك، فقد طور العلماء اختبارا على دقة عالية بما فيه الكفاية لقياس ثابت بلانك، بحيث قد يكون العالم على قبول تعريف جديد. وفي عام 2005، نشر خمسة علماء من NIST، NPL وBIPM ورقة المعلم: "إعادة تعريف كجم: فترة محددة قد حان".
NIST-4 جداول كيبل. | المصدر: جينيفر لورين لي / NIST
واحدة من التكنولوجيات الرئيسية لقياس الأوراق ثابت بلانك المذكورة في ميزان واط (وات التوازن)، اقترح NPL في بريان اطحن لأول مرة في عام 1975. عام 2016، لاحياء ذكرى وفاة براين اطحن، تم تغيير اسم نطاق وات جداول كيبل (اطحن العمومية).
في نطاق التوازن التقليدي، يتم وضع الكائن في واحدة من نهاية النطاق ليكون وزنه، وزيادة تدريجية في الوزن في الطرف الآخر، حتى كتلة الوزن (الثقل) تساوي كتلة الجسم ليكون وزنه (الجاذبية)، سيبقى نطاق التوازن. اطحن جداول هذا الفرق هو أنه في حين أن نهاية واحدة لا تزال الجاذبية التوازن للجسم، والطرف الآخر من لفائف هو تنشيط والحقل المغناطيسي للأرض الناتجة عن التفاعل القوة الكهرومغناطيسية .
التخطيطي بسيط الحجم كيبل. | المصدر: NISST
جداول كيبل يمكن تشغيلها في وضعين مختلفين:
1. وضع وزنها (وضع وزن)
الكائن أن يكون وزنه على عموم فوق لفائف، قوة الجاذبية الهبوط (ملغ). ثم في موازين وضع اطحن، الحالي من خلال لفائف، والقوة الصاعدة حتى التفاعل المغناطيسي الحالي بالضبط تحقيق التوازن بين قوة الهبوط من الجاذبية، والروافد نظام التوازن، والسجل الحالي في هذا الوقت. هذا الحساب القوة هو بسيط جدا، هو القرن 19 كان من المعروف أن قانون أمبير: F = IBL (I هو التيار، B هي كثافة التدفق المغناطيسي، L هو طول لفائف). ولكن المشكلة هي لقياس بدقة BL صعبا للغاية، الأمر الذي يتطلب الخطوة التالية "وضع السرعة" لمزيد من القياسات.
2. وضع سرعة (الوضع السرعة)
تم العثور على سرعة استخدام وضع القانون في القرن 19 - قانون فاراداي في الحث الكهرومغناطيسي. اطحن في الحجم، والكائنات وزنه إلى إزالتها، لإيقاف الحالي من خلال لفائف، بحيث ضوء الليزر متماسك بسرعة ثابتة لضمان حركة لفائف حول المجال المغناطيسي، وهو القوة الدافعة الكهربائية المستحثة ولدت في هذا الوقت V، ويتناسب مع لفائف سرعة الخامس، أن V = VBL . بالضبط أين BL ووضع وزنها.
ثم، والجمع بين ملغ = IBL وV = BL هذه الصيغتين، وجدنا أن كلا الجانبين من المعادلة BL يلغي كل منهما من الآخر، وأخيرا الحصول على IV = mg (وهذا هو، والطاقة الكهربائية وميزان القوى الميكانيكية، وحداتهم هي في واط). لذلك، يمكن أن تكون نوعية م = IV / g حساب.
المبدأ الأساسي نطاق واطحن، وأداة يمكن استخدامها لقياس بدقة كتلة. | المصدر: NISST
ومع ذلك، كل هذا يجب أن نفعل مع ثابت بلانك ذلك؟ ما هو الاتصال ثابت بلانك مع الجهد والتيار؟ وراء هذه الحقيقة، مع اثنين من الثوابت الفيزيائية - جوزيفسون ثابت (KJ = 2E / ساعة) وثابت فون Klitzing (ر = ح / e) المتعلقة هاتين المهمتين قد فاز بجائزة نوبل.
وفي عام 1962، قدم جوزيفسون (بريان جوزيفسون) مع الجهد قياس تتعلق تأثير جوزيفسون . عندما يتم تطبيق الجهد على مفترق فائقة التوصيل تنتج يتناسب الجهد لتواتر التيار المتناوب، فإنه سيتم إنشاء تأثير AC جوزيفسون. قياس التردد يمكن أن يكون أكثر دقة من أي مبلغ آخر. وهكذا، يوفر KJ طريقة دقيقة لقياس الجهد.
تيار كهربائي يقاس من قبل لفائف قياس مقاومة ، ويرتبط أي مع RK ثابت فون Klitzing. يوصف RK، في أنواع معينة من الأنظمة الفيزيائية، ومقاومة للشكل وجود الكم المنفصل، بدلا من قيمة مستمرة. أن تستخدم RK مع دقة عالية، وبالتالي كمقاومة القياسية في جميع أنحاء العالم.
وترتبط هذه الثوابت اثنين إلى ثابت بلانك. وهكذا، ثابت بلانك يمكن أن تكون مرتبطة بزيادة جودة التيار والجهد. إذا كنت تعرف بالضبط كتلة الكائن، يمكنك قياس قيمة ساعة، وعلى العكس، إذا كنت تعرف قيمة الدقيقة للساعة، ويمكن قياس كتلة الجسم. هذا الأخير، هو إعادة تعريف مبدأ الجودة ويستند.
تقول المبادئ الأساسية للنطاق كيبل على لوحة بيضاء في NIST. | المصدر: NISST
ومع ذلك، قبل قبول هذا التعريف الجديد، وهناك بعض المتطلبات. هناك على الأقل ثلاث تجارب يجب أن تنتج حالة من عدم اليقين المعياري النسبي القياس لا تزيد عن 50 جزء في المليار، والتي يوجد فيها على الأقل قدرا من عدم اليقين لا أكثر من واحد وعشرين مليار نقطة. كل هذه القيم يجب أن تكون متسقة في مستوى ثقة 95 الإحصائي.
إعادة تعريف الارتياب في القياس النظام الدولي للوحدات ساعة من تقديم النهائي NIST في المليارات ثلاثة عشر نقطة. بيانات القياس على نطاق وكيبل آخر من مجلس كندا الوطني للبحوث (NRC)، وعدم اليقين من أجزاء فقط 9.1 في المليار. وجدولين الأخرى قياس كيبل بما في ذلك مختبر المقاييس الوطنية الفرنسية (LNE)، بما في ذلك التوصل أيضا الدقة المطلوبة.
مستدير المجال
في جداول اطحن بالإضافة إلى ذلك، اقترح أن الورقة أيضا طريقة أخرى لحساب ثابت بلانك - مع كتلة من ذرات السيليكون يتم تعريف كيلوغرام، هو 1 كيلوغرام حساب -28 عالى النقاء السيليكون (سي أغنى ومن نظائر، تحتوي على ما مجموعه 28 عدد البروتونات والنيوترونات في المجالات النووية). وهذا يعني أن الثوابت الأخرى نعرفه عن الرقم الذي أفوجادرو (NA).
الروابط بين ثابت أفوجادرو (NA) وثابت بلانك (ح).
في النظام الدولي الحالي وحدات، يتم تعريف عدد أفوجادرو من 12 غراما من ذرات الكربون الواردة 12 لديها قيمة حول 6.022 10 23 مول -1 . بواسطة معادلة معروفة، يمكننا حساب ثابت بلانك من قبل عدد أفوجادرو. وتكمن الصعوبة في كيفية تحديد دقيق لقيمة ثابت أفوجادرو؟
للحد من عدم اليقين، والعلماء 1 كغ -28 السيليكون الكريستال المصنوعة بشكل موحد في المجال شبه مثالية، بحيث إذا كان الكمال "الكرة السيليكون" توسعت إلى الأرض حتى الكبيرة، ثم سطح الكرة السيليكون "أعلى قمة" و"المحيطات العميقة" هو أيضا الفجوة 3-5 متر. من ناحية أخرى، ونقاء من هذا الكريستال السليكون كروية -28 يصل إلى 99.9995، وهذا يضمن نقاء عالية أن جميع ذرات لها نفس الجودة، فمن الممكن لتبسيط العمليات الحسابية.
أفوجادرو الكرة -28 ذرات السيليكون النقي. عن طريق قياس حجم حجم مجال -28 وذرة السيليكون واحدة، يمكن للعلماء قياس نوعية المجال الذرات الفردية، وتقدم هناك طريقة حساب ثابت أفوجادرو، والذي يستخدم بدوره لحساب ثابت بلانك ل. | المصدر: BIPM
قياس التداخل الضوئي من قطر الكرة التي هي دقيقة إلى مستوى النانومتر، والبلورات بالأشعة السينية من الممكن تقديم صورة للهيكل الكريستال من السيليكون. من هذه، فمن الممكن لتحديد القيمة الدقيقة لعدد أفوجادرو. على "مجال السيليكون،" قياس أربعة تمشيا مع المتطلبات الدولية.
جداول اطحن وأفوجادرو طريقتين متكاملان، وتحدد في نهاية المطاف قيمة ثابت بلانك: 6.62607015 10-34kgm-2S، وعدم اليقين من أجزاء فقط 10 في البليون.
على الرغم من أن إعادة تعريف كيلوغرام من غير المرجح أن تغير حياتك اليومية، ولكن يتم تعريف تأثير نظام القياس أكثر دقة تنتج في نهاية المطاف هو في كثير من الأحيان عميق.
على سبيل المثال. منذ عام 1967، يتم تعريف ثانية واحدة كما اثنين فائق الدقة المدة الانتقالية الموافق 9192631770 دورات الإشعاع بين مستويات الطاقة في دولة أرض الواقع السيزيوم 133 ذرة . وبدون هذه الدقة والتكنولوجيا GPS اليوم لا يمكن أن يتحقق. يحمل كل قمر صناعي GPS ساعة ذرية، على أساس نظرية النسبية لأينشتاين، في وقت قريب من الساعات الذرية الفضائية عالية السرعة على الأرض تطول، أبطأ من ساعة على الأرض قليلا. إذا لم يكن هناك تعريف جديد، ونحن لن تكون قادرة على تصحيح هذه الاختلافات طفيفة. ثم تحديد المواقع GPS وسيتم أيضا الخيال العلمي.
العلاقة بين GPS في ثوان، وتكشف عن العلوم الأساسية لعلم القياس ومتشابكة: التقدم المستمر للاحتياجات البحوث وتسمح معايير القياس الجديدة، وهذه معايير القياس الجديدة، بدوره، وجعل البحث أكثر تقدما ممكن. الوحدة الأساسية هي إعادة تعريف فضلا أمبير، كلفن والخلد.
المصدر المرجعي:
https://www.bipm.org/en/about-us/
https://www.smithsonianmag.com/science-nature/redefine-kilogram-180970798/
https://www.nist.gov/si-redefinition/turning-point-humanity-redefining-worlds-measurement-system
