Jak vylepšit kilogram?

11. červenec 2008 | 07.00 |

kg

Prototyp kilogramu, jak je nyní používán, představuje kovový váleček ze slitiny 90 % platiny a 10 % iridia, uchovávaný v trezoru spolu s jeho šesti kopiemi v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy ve Francii, v Sèvres u Paříže.
O něm dle definice platí, že představuje hmotnost jednoho kilogramu. Je to vlastně jediný objekt na Zemi o němž víme jeho hmotnost naprosto přesně. Jde ale jen o zdání. Hmotnost prototypu má samozřejmě jistou neurčitost, která je dána jednak omezenými možnostmi použitých metod jeho vážení a také se může časem měnit hmotnost samotného prototypu. To způsobuje vnější prostředí, které má vliv na oxidaci povrchu a způsobuje difúzi plynů přímo dovnitř kovu. Před vážením se prototyp předepsaným způsobem čistí, čímž se však všechny systematické chyby eliminovat nemohou. Ideální by proto bylo uchovávat prototyp ve vakuu bez dotyku podložky, uchycený v nějakém magnetickém závěsu. Takové možnosti však v době přijetí prototypu za standard hmotnosti před více než 100 lety nebyly a také by se musel vyřešit problém, jak takto uchovávaný prototyp vážit. Je jasné, že se zlepšujícími se nároky v oboru metrologie se dříve či později musíme dostat do situace, kdy již definice na základě prototypu nebude vyhovovat.

Přesnost kilogramu je omezena metodou vážení jeho prototypu. Vážení prototypu v tomto případě spočívá v porovnávání jeho hmotnosti s hmotnostmi jeho šesti kopií. Při tomto měření získáme na základě statistického zpracování odhad velikosti náhodných chyb a také systematické odchylky, přičemž můžeme zjišťovat, jak se systematická odchylka změnila vlivem vnějších vlivů od minulého měření. Metodu vážení můžeme stále zdokonalovat a využít měřicí techniky, která ještě v 19. století nebyla k dispozici a tím můžeme snížit náhodnou chybu. Systematická chyba samotného prototypu se však může projevit za celou dobu existence prototypu stále stejným způsobem a při dosavadní definici ji nelze snížit s pokrokem měřicích metod. Při posledním měření se dokonce ukázalo, že mezinárodní prototyp ztratil od posledního měření přibližně 50 μg, což odpovídá relativní chybě 5×10−8. Takovému kolísání hmotnosti nezabránilo ani uchování prototypu za přísně hlídaných podmínek.

Jak vylepšit kilogram?
Nejpřirozenější by bylo svázat hmotnost s gravitační konstantou převést ji přímým experimentem na gravitační sílu a tuto porovnávat například s elektromagnetickou silou.

Tato snaha však naráží na skutečnost, že gravitační síla je nejslabší síla v přírodě vůbec a jedním z důsledků je nejnižší dosažená přesnost gravitační konstanty ze všech ostatních základních fyzikálních konstant.

Definice svazující kilogram s Avogadrovou konstantou
Je Avogadrova konstanta sudé nebo liché číslo? Toto je ze své podstaty řečnická otázka, která za předpokladu platnosti nynější definice látkového množství nebude nikdy zodpovězena. Tuto otázku položil ne zcela vážně v roce 2006 Theodor P. Hill, profesor matematiky z Technologického institutu v Georgii. Spolu se svým kolegou Ronaldem F. Foxem, profesorem fyziky, totiž navrhli definovat Avogadrovu konstantu jako přesné číslo. Tím by samozřejmě úvodní otázka ztratila smysl, neboť odpověď by byla dána přímo touto novou definicí. Když se pak Hill s Foxem dozvěděli v září 2007 o zjištěné ztrátě hmotnosti prototypu kilogramu, vedlo je to návrh změny definice kilogramu, který spočívá v definici kilogramu jako přesného počtu 1000×18×140744813 atomů uhlíku 12C. Je to vlastně matematická definice a z ostatních návrhů také asi nejjednodušší. "Čistě matematická definice je experimentálně neutrální, vědci mohou použít jakýchkoliv laboratorních metod, jenž umožňují aproximovat přesnou hmotnost", říká Hill. "Použití třetí mocniny přesného čísla v definici odpovídá stejné přesnosti, 8 až 9 platných míst, jako je nyní použito v přesné definici délky pomocí rychlosti světla".

Jiná možnost jak nahradit nevyhovující prototyp kilogramu spočívá v jeho nahrazení koulí z čistého monokrystalického křemíku. Nešlo by ovšem o další prototyp ale vlastně o návod, jak lze takový kilogram kdykoliv vyrobit znovu, v budoucnosti samozřejmě z čistšího křemíku, s lepší přesností. Stejným způsobem se dnes totiž jednou z metod měří Avogadrova konstanta Tato definice by sice neumožnila stanovit Avogadrovu konstantu jako přesné číslo, vedla by však k jejímu zpřesnění, neboť by odpadla nutnost porovnávat hmotnost měřeného křemíkového vzorku s prototypem kilogramu a bylo by možné jeho hmotnost na základě definice přímo přepočítat, bez zhoršení výsledné chyby měření.

Třetí z metod využitelných pro novou definici kilogramu je metoda převádění počtu atomů na elektrický proud sčítáním jejich nábojů. Prakticky se to provádí měřením náboje potřebného na neutralizaci měřeného počtu iontů. Dalo by se říci, že si takto ionty odpočítáme pomocí jejich náboje. Princip je stejný, jako když provádíme měření při elektrolýze, kdy nám však přesnost měření maří nevhodné kapalné prostředí vzorku. Svého času však byl elektrický proud pomocí elektrolýzy definován a jeho hodnota byla svázána s hmotností vyloučenou na jedné z elektrod. Taková zařízení se nazývala coulombmetry a již podle názvu sloužily v minulosti na stanovení elektrického proudu či prošlého náboje. Roku 1898 byl touto metodou definován mezinárodní ampér jako stálý proud, který za jednu sekundu vyloučí v roztoku dusičnanu stříbrného na elektrodě 1,11804 g stříbra. Současné experimenty vycházejí z jistých důvodů nejlépe s atomy vizmutu a zlata. Při definici kilogramu na základě počítání iontů se využívá toho, že určení atomové hmotnostní konstanty je mnohem přesnější než určení jednotky hmotnosti na základě kovového prototypu. Náboj jeden Coulomb by pak byl určen jako celočíselný počet elementárních nábojů, použitý prvek by pak měl přesně určenou atomovou hmotnost tak, jak je tomu nyní u uhlíku, který má relativní atomovou hmotnost z definice látkového množství přesně 12. Změnila by se i definice ampéru, jednotky elektrického proudu a základní jednotky SI definované dosud pomocí síly a realizované proudovými vahami. Vedlo by to k jejímu zpřesnění, neboť dosud je její přesnost závislá, stejně jako je tomu s jednotkou svítivosti kandelou a s jednotkou látkového množství molem, na přesnosti kilogramu.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (2x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Související články

žádné články nebyly nenalezeny

Komentáře

RE: Jak vylepšit kilogram? davidhavel 11. 07. 2008 - 09:12
RE(2x): Jak vylepšit kilogram? fyzmatik 11. 07. 2008 - 10:50
RE(3x): Jak vylepšit kilogram? davidhavel 11. 07. 2008 - 11:27