Проведенные исследования показали возможность дальнейшего совершенствования эталона с расширением диапазона температур от 1800 до 3000 К. Для этого необходима разработка высокотемпературного термостата с соответствующим диапазоном воспроизведения температур 1800—3000 К.
Л и т е р а т у р а
1. Казанцев В. В., Черепанов В. И., Сенникова В. Н. Стандартные образцы теплофизических свойств твердых веществ. Опыт создания и применения // Стандартные образцы в измерениях и технологиях: Сб. трудов 1-й Междунар. науч. конф. Екатеринбург. 2013. Ч. 1. С. 181—182.
2. Казанцев В. В., Сенникова В. Н., Черепанов В. И. С тан-дартные образцы теплофизических свойств твердых веществ и материалов // Стандартные образцы. 2014. № 1. С. 66—70.
3. ГОСТ 8.141—75. ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур от 273,15 до 700 К.
4. ГОСТ 8.178—85. ГСИ. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур от 90 до 273,15 К.
5. ГОСТ 8.176—85. ГСИ. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур от 400 до 1 800 К.
6. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 января 2014 г. № 51 «Об утверждении Государственного первичного специального эталона единиц удельной энтальпии и удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температуры от 700 до 1800 К».
7. Хеммингер В., Хене Г. Калориметрия. Теория и практика. М.: Химия, 1986.
8. Малышев Ю. О. Автоматизация государственного специального эталона единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температуры (1337—1800) К // Датчики и системы. 2014. № 3. С. 54—59.
9. Gatta G. D. е. а. Standards, calibration, and guidelines in microcalorimetry. Pt. 2. Calibration standards for differential scanning calorimetry // Pure Appl. Chem. 2006. V. 78. N. 7. P. 1 455—1 472.
10. Archer D. G. Termodynamic proportion of synthetic sapphire (a-Al2O3), standard reference material 720 and the effect of temperature-scale differences on thermodynamic properties // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1993. V. 22. N. 6. P. 1441—1453.
11. Казанцев В. В. и др. Сличения государственных первичных эталонов единиц удельной теплоемкости твердых тел // Измерительная техника. 2014. № 8. С. 66—70; Kazan-tsev V. V. е. а. Comparisons of state primary spesial standards of unit of specific heat capacity of solids // Measurement Techniques. 2014. V. 57. N. P. 947—952.
12. ГОСТ P 8.872—2014. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений удельной энтальпии и удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температуры от 700 до 1 800 К.
Дата принятия 21.10.2014 г.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИИ
53.081:531.7
О новых определениях основных единиц СИ. Почему предпочтителен атомный килограмм
К. А. БРОННИКОВ, В. Д. ИВАЩУК, М. И. КАЛИНИН, С. А. КОНОНОГОВ,
В. Н. МЕЛЬНИКОВ, В. В. ХРУЩЕВ
Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы, Москва,
Россия, e-mail: ivashchuk@mail.ru
Обсуждается роль фундаментальных констант и результаты измерений постоянных Планка, Авогадро, Кельвина и электрического заряда электрона в связи с планируемым переходом на новые определения четырех основных единиц СИ (килограмма, моля, ампера и кельвина) на основе фиксированных значений этих постоянных.
Кпючевые слова: переопределение основных единиц СИ, фундаментальные физические константы, размерность физической величины, нестабильность международного прототипа килограмма.
The role of fundamental constants and measurement data for the Planck, Avogadro and Boltzmann constants and the elementary electric charge in connection with the planned transition to new definitions of four base SI units (the kilogram, mole, ampere and kelvin) based on fixed values of these constants is discussed.
Key words: redefinition of the SI base units, fundamental physical constants, dimension of physical quantity, instability of international prototype of kilogram.
В современной физике существуют три главные нерешенные задачи: объединение четырех известных физических взаимодействий, включая гравитацию; решение проблем
темной энергии и темной материи при современном ускоренном расширении Вселенной; возможные вариации фундаментальных физических констант (ФФК) — постоянной
тонкой структуры, гравитационной постоянной, отношения масс протона и электрона и т. д.
В физических теориях константы характеризуют свойства устойчивости различных видов материи, объектов, процессов и пр. и остаются неизменными при разных обстоятельствах, по крайней мере, в рамках достигнутых неопределенностей результатов измерений. Так как ФФК или их комбинации создают естественные масштабы для основных единиц измерений, их называют фундаментальными. По мере развития науки физические теории заменяются более общими со своими наборами констант, между которыми возникают новые связи. Поэтому можно обсуждать не абсолютный набор каких-либо ФФК, а только соответствующий современной ситуации в физических науках [1].
В настоящее время Стандартная модель сильных и электрослабых взаимодействий согласуется с большинством имеющихся экспериментальных данных. Также существует достаточно хорошо проверенная (в основном в Солнечной системе) теория гравитации, общая теория относительности Эйнштейна. В космологии с быстро развивающейся наблюдательной основой и ее теоретическим осмыслением важную роль играют Стандартная космологическая модель (пространственно-плоская модель Фридмана с космологической постоянной, ЛCDM) и ее многочисленные модификации и обобщения. В каждой из этих теорий со своим набором констант есть проблемы [1, 2], и дальнейшее развитие физики, связанное с их решением, вероятно, изменит существующий набор ФФК, но пока неизвестно, когда это произойдет.
Системы единиц физических величин являются частью необходимого инструментария науки. Как и любые инструменты, они должны соответствовать современной стадии ее развития. Готовящееся в настоящее время переопределение основных единиц Международной системы единиц (СИ) можно рассматривать как ответ на это требование [3]. Планируемая реформа СИ опирается на предложение определить основные единицы, зафиксировав точные значения соответствующих ФФК по принципу, использованному в 1983 г. для переопределения метра.
Реформа СИ обсуждается, начиная с 2005 г., в частности, предложено фиксировать с нулевой неопределенностью значения постоянных Планка И, Больцмана к, Авогадро Мд, заряда электрона е, и на этой основе переопределить килограмм, ампер, кельвин и моль [3—5]. Одна из причин изменения существующих определений этих единиц — выявленная временная нестабильность международного прототипа килограмма (1РК) на уровне 51 О-10 кг в год [6].
Использование точных значений ФФК принципиально для метрологии [7], и предложения по переопределению ряда единиц СИ с помощью фиксации значений ФФК получили поддержку метрологических организаций [3, 5]. Основным препятствием введения новых определений, как только была осознана их необходимость, оказалась недостаточная точность соответствующих ФФК.
Ситуация с переходом к новой СИ (согласно [5] возможно в 2018 г.) отражена в Резолюции 1, принятой на 24-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) «О возможном будущем пересмотре Международной системы единиц (СИ)», где предлагается «... продолжить работу, направленную на улучшение формулировок определений основных единиц СИ через фундаментальные константы и по возможности упростить описания для понимания пользо-
вателей, следуя при этом принципам научной строгости и ясности изложения».
Цель данной статьи — обсуждение возможных модификаций новых определений четырех основных единиц СИ (килограмма, моля, ампера и кельвина) с помощью фиксированных значений ФФК, а также процедур реализации и оптимального выбора новых определений для успешного использования в промышленности, торговле, науке и создании благоприятной внешней среды.
Для нового определения единицы массы на 23-й и 24-й ГКМВ были предложены разные варианты, которые рассматривали международные метрологические организации. Среди условий для перехода на новые определения килограмма и моля основным является достижение относительной стандартной неопределенности иг = 210-8 постоянных И, Мд и согласованности их значений, определяемых разными методами, с иг = 510-8. Однако даже после выполнения этих условий вопрос о выборе конкретного варианта определений килограмма и моля останется открытым, так как существуют различные варианты новых определений. Например, для единицы массы есть варианты с фиксацией либо И, либо атомной единицы массы. Ниже предлагается выбрать вариант нового определения любой основной единицы СИ с учетом ряда критериев и принципов. При выборе нового определения единицы массы следует учитывать решение G1 Консультативного комитета по массе и связанным с ней величинам (ККМ), принятое в 2010 г. [3], в котором предложено смягчить ранее принятые рекомендации Международного комитета по мерам и весам (МКМВ) и 23-й ГКМВ для замены 1РК следующим образом:
как минимум три независимых эксперимента, включающие эксперимент с ватт-весами и эксперимент Международного координационного проекта Авогадро, должны дать значения соответствующих констант с иг < 510-8, причем хотя бы один из этих результатов должен иметь иг < 210-8;
для каждой из этих соответствующих констант согласие между значениями, полученными в различных экспериментах, должно быть на уровне достоверности 95 %;
должна быть подтверждена согласованность новых прототипов МКМВ с 1РК.
Приведенные ограничения минимальны в том смысле, что ослабление требований иг для измеренных постоянных И, Мд приведет к нарушению сложившейся практики измерений массы с высокой точностью для масс класса Е1 [8].
Условием перехода к новому определению кельвина является достижение иг (к)<110-6 при измерениях постоянной Больцмана к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.