Em 1872, por decisão da Comissão Internacional de Padrões do Sistema Métrico, a massa do protótipo quilograma, armazenado no Arquivo Nacional da França, foi adotada como unidade de massa. Este protótipo é um peso cilíndrico de platina com altura e diâmetro de 39 mm. Os protótipos do quilograma para uso prático foram feitos de uma liga de platina-irídio. Um peso de platina-irídio, mais próximo da massa do quilograma de platina do Arquivo, foi adotado como protótipo internacional do quilograma. Deve-se notar que a massa do quilograma protótipo internacional é um pouco diferente da massa de um decímetro cúbico de água. Como resultado, os volumes de 1 litro de água e 1 decímetro cúbico não são iguais (1 litro = 1,000028 dm 3). Em 1964, a XII Conferência Geral de Pesos e Medidas decidiu equiparar 1 litro a 1 dm 3.
O protótipo internacional do quilograma foi aprovado na Primeira Conferência Geral de Metros e Pesos em 1889 como protótipo de unidade de massa, embora naquela época não houvesse uma distinção clara entre os conceitos de massa e peso e, portanto, o padrão de massa era frequentemente chamado de padrão de peso.
Por decisão da Primeira Conferência sobre Pesos e Medidas, os protótipos de quilograma de platina-irídio nº 12 e nº 26 foram transferidos para a Rússia dos protótipos de quilograma 42 produzidos.O protótipo de quilograma nº 12 foi aprovado em 1899 como um padrão estadual opcional de massa (a libra tinha que ser comparada periodicamente com o quilograma), e o protótipo nº 26 ser usado como padrão secundário.
O padrão inclui:
uma cópia do protótipo internacional do quilograma (nº 12), que é um peso de platina-irídio em forma de cilindro reto com nervuras arredondadas com diâmetro e altura de 39 mm. O protótipo do quilograma está armazenado no VNIIM. D. M. Mendeleev (São Petersburgo) em um suporte de quartzo sob duas tampas de vidro em um cofre de aço. O padrão é armazenado mantendo a temperatura do ar dentro de (20 ± 3) ° C e umidade relativa de 65%. Para preservar o padrão, dois padrões secundários são comparados a cada 10 anos. Eles são usados para transmitir ainda mais o tamanho de um quilograma. Quando comparado com o quilograma padrão internacional, ao peso doméstico de platina-irídio foi atribuído um valor de 1,0000000877 kg;
balança de prisma de braço igual 1 kg. Nº 1 com controle remoto (para eliminar a influência do operador na temperatura ambiente), fabricada pela Ruprecht, e modernas balanças prismáticas de braço igual para 1 kg Nº 2, fabricadas na VNIIM. D. M. Mendeleev. As escalas nº 1 e nº 2 servem para transferir o tamanho de uma unidade de massa do protótipo nº 12 para padrões secundários.
Erro na reprodução de um quilograma, expresso pelo desvio padrão do resultado da medição 2. 10 -9. A incrível durabilidade da unidade padrão de massa na forma de um peso de platina-irídio não se deve ao fato de que em certa época foi encontrada a forma menos vulnerável de reproduzir o quilograma. De jeito nenhum. Já há várias décadas, os requisitos para a precisão das medições de massa excediam as possibilidades de sua implementação usando os padrões existentes de unidades de massa. A pesquisa sobre a reprodução de massa usando as constantes de massa física fundamentais conhecidas de várias partículas atômicas (próton, elétron, nêutron, etc.) está em andamento há muito tempo. No entanto, o erro real na reprodução de grandes massas (por exemplo, um quilograma), ligado, em particular, à massa restante do nêutron, é até agora significativamente maior do que o erro na reprodução de um quilograma usando um peso de platina-irídio. A massa restante de uma única partícula – um neurônio – é 1,6949286 (10)x10 -27 kg e é determinada com um desvio padrão de 0,59. 10 -6.
Mais de 100 anos se passaram desde que os protótipos do quilograma foram criados. Durante o período passado, os padrões nacionais foram comparados periodicamente com os padrões internacionais. No Japão, escalas especiais foram criadas usando um feixe de laser para registrar o “balanço” de um balancim com pesos de referência e tara. Os resultados são processados em um computador. Ao mesmo tempo, o erro na reprodução de um quilograma aumentou para aproximadamente 10 -10 (de acordo com o desvio padrão).Um conjunto de escalas semelhantes está disponível no Serviço Metrológico das Forças Armadas da Federação Russa.
O que é um quilograma? Pergunta infantil! Esta é a massa de um litro de água. Para levar em casa, basta uma torneira e uma jarra de litro. Mas o quilo padrão “real e encorpado” tem perdido peso rapidamente recentemente.
Infelizmente, o quilograma padrão mundial, como fica claro no New York Times, foi vítima de uma doença misteriosa e duradoura. Vamos dar uma olhada na história.
No século XVIII, um quilograma era definido como a massa de um decímetro cúbico de água na temperatura de sua maior densidade (4 o C). Acontece que tal definição não é totalmente construtiva: você precisa de um decímetro cúbico muito preciso, água completamente limpa e um termômetro absolutamente correto.
Para informações adicionais sobre o doente, consulte o Livro dos Destinos - TSB.
“O quilograma, unidade de massa, é uma das sete unidades básicas do Sistema Internacional de Unidades (SI). É igual à massa do protótipo internacional armazenado no Bureau Internacional de Pesos e Medidas. O protótipo em 1799 foi feito na forma de um peso cilíndrico de platina.
A massa do quilograma protótipo acabou sendo aproximadamente 0,028 gramas a mais que a massa de um decímetro cúbico de água.
O quilograma mais importante hoje é apenas um pedaço de ferro (foto bipm.org).
Em 1889, foi adotada a definição existente de quilograma e um peso com o sinal K (“K” é uma maiúscula gótica), feito de uma liga de platina-irídio (10% Ir) e em forma de cilindro com diâmetro e altura de 39 mm, foi aprovado como protótipo internacional.”
Acontece que o quilograma de platina-irídio, criado por um joalheiro inglês, é a única unidade básica do SI que preservou valentemente sua definição desde o século retrasado. E ele próprio é armazenado na forma de um artefato material.
O metro, por exemplo, inicialmente correlacionado com o comprimento da circunferência da Terra, é agora igualado à distância percorrida pela luz em um 299.792.458 avos de segundo. E o segundo é o tempo durante o qual um átomo de césio produz 9192631770 vibrações.
Essas unidades não apenas são definidas com precisão quântica apropriada, mas também podem ser reproduzidas adequadamente em qualquer lugar do mundo. A clonagem de um quilograma é muito mais difícil, além de exigir um procedimento burocrático complexo.
Aparentemente, durante muito tempo esta posição única do quilograma agradou a todos, uma vez que não havia incentivos suficientes para criar a sua fórmula escrupulosa.
Mas o quilograma mutável arrasta consigo o Watt e outras unidades de medida relacionadas para a natação à deriva.
E não há dúvidas sobre a variabilidade do quilograma, apesar de todos os cuidados: o padrão está guardado sob três tampas de vidro lacradas no cofre de um castelo vigiado nas proximidades de Paris, e as chaves do cofre estão nas mãos de apenas três especialmente burocratas próximos do Bureau Internacional de Pesos e Medidas (Bureau International des Weights and Measures).Poids et Mesures - BIPM).
Kilogram e 6 de seus capangas são mantidos em um cofre permanentemente trancado (foto bipm.org).
Junto com o quilograma principal, estão 6 sucessores no cofre e, no total, durante seu reinado, mais de 80 exemplares foram feitos à sua imagem e semelhança.
Para o exame do quilograma do idoso, que ocorre uma vez por ano, ele é cerimonialmente retirado de seu armazenamento. E toda vez que uma perda de peso microscópica é detectada.
O quilograma está desaparecendo. Isto é claramente demonstrado por comparações com outros habitantes do cofre. A natureza da doença é misteriosa, mas todos os sintomas são óbvios: em cem anos, um quilograma perde cerca de 0,00000003 de sua preciosa massa.
Mas mesmo perder peso em apenas 50 microgramas (menos que o peso de um grão de sal) pode distorcer seriamente os resultados de cálculos científicos complexos. Não há dúvida sobre a necessidade de substituir o quilograma único por um quilograma abstrato.
Uma equipa internacional de investigadores da Alemanha, Austrália, Itália e Japão, sob os auspícios do laboratório alemão de normalização, quer redefinir o quilograma como a massa de um certo número de átomos. Uma bola perfeitamente redonda de silício cristalino puro de um quilograma é feita em laboratório.
Se você souber exatamente quais átomos compõem o cristal e a que distância eles estão um do outro, medindo o tamanho da bola, você poderá calcular o número de átomos de silício que a compõem. Este número será a definição de quilograma.
Para produzir a bola, foi necessário obter um isótopo de silício altamente purificado. A Rússia prestou assistência neste esforço - nas antigas fábricas de armas nucleares soviéticas existem centrífugas usadas para produzir urânio altamente enriquecido.
Talvez esta bola de silício se torne o novo quilograma. Mas apenas na forma do número de seus átomos constituintes (foto nytimes.com).
A bola resultante teve que ser medida quanto à “redondeza”. O cristal foi meticulosamente medido em meio milhão de pontos. Conclusão: a bola é a criação mais redonda das mãos humanas. Se a bola fosse ampliada para o tamanho da Terra, o Everest teria apenas quatro metros de altura.
Uma característica intrigante da bola: é completamente impossível determinar a olho nu se ela está em repouso ou girando. Somente se um grão de poeira cair na superfície haverá algo para os olhos verem.
Embora o número de átomos de silício que compõem o objeto único ainda não tenha sido calculado, a técnica já atrai críticas de outro campo, que reuniu cientistas dos EUA, Inglaterra, França e Suíça.
Na opinião deles, com a tecnologia atual é impossível contar com precisão o número de átomos, por isso é mais fácil e confiável calcular um quilograma usando tensão elétrica. Medir energia, dizem eles, é mais simples do que contar átomos. Pode ser mais simples, mas não em palavras.
O trabalho utiliza um mecanismo complexo chamado equilíbrio de Watt. A técnica é baseada na equivalência de energia mecânica e elétrica.
Um campo eletromagnético deve ser criado, um quilograma de referência deve ser colocado nele e os parâmetros do experimento devem ser medidos. Como o campo gravitacional é constante e determinado pela localização da instalação de três andares, os valores das grandezas mecânicas e elétricas podem ser relacionados através do quilograma de referência.
É verdade que também é necessário levar em consideração as influências das marés, e outras manifestações do ambiente externo podem ser excluídas colocando a instalação em um vácuo profundo.
Esfera de silício criada no Laboratório Nacional de Medição (NML) da Austrália.
Medindo os valores de comprimento, tempo, corrente elétrica e resistência (e todos eles podem ser calculados com base em fenômenos quânticos fundamentais e invariantes), é possível digitalizar a unidade básica - o quilograma - de forma quântica. . A massa do elétron já foi determinada de forma semelhante.
É muito cedo para falar sobre a precisão do método sofisticado e indireto de calcular um quilograma; os cientistas estão preocupados em eliminar as flutuações de tensão nos circuitos elétricos. No entanto, eles estão confiantes de que a vitória será deles, e não dos projetistas das bolas de silício.
De acordo com o New York Times, a seção de massa do BIMP – o corpo que em última análise determina o destino do quilograma – está inclinada para a última abordagem, mas fazer uma escolha final ainda é muito difícil. Mas eles querem escolher entre os dois, embora existam outras opções.
Por exemplo, como tudo no nosso mundo de compra e venda, o notório quilograma pode ter uma expressão de preço exata.
Para calculá-lo, você precisa descobrir o número de átomos em um quilograma de ouro puro. De acordo com as estimativas atuais, esse número deveria ter cerca de 25 dígitos, mas nada mais definitivo pode ser dito sobre isso.
Padrão de massa
Trata-se de um quilograma feito de uma liga de platina-irídio, de determinado formato, armazenado sob uma tampa dupla e assim por diante. Vários desses pesos foram feitos, eles são levados para Paris uma vez a cada poucos anos e assim por diante, veja acima a discussão sobre qual é a precisão do padrão. A questão natural é por que não adotar um padrão natural – o átomo. Aqui está alguém que, de acordo com todas as visões modernas, se dá bem com a constância da massa. A resposta é simples - porque o átomo é pequeno e contar o número de átomos de Avogadro é um pé no saco. O grau dez é tão grande que mesmo um fulereno feito de urânio não salvaria a questão. Mas quero mudar para um padrão pseudoatômico natural. Portanto, está em andamento um trabalho para criar um padrão de massa baseado no padrão do medidor e nas propriedades atômicas (ou seja, no final ainda é um padrão atômico). Ou seja, presume-se que será uma bola de tamanho precisamente conhecido, feita de silício monoisotópico. Bola - para evitar incertezas associadas à verdadeira geometria das aletas, silício - já que para isso foram desenvolvidas tecnologias de purificação. O silício possui três isótopos estáveis, o que dificulta a obtenção de cópias exatas do padrão, mas métodos de remoção de impurezas foram desenvolvidos para o silício, e o silício isotópico puro, como dizem, é de interesse para a tecnologia de semicondutores e a tecnologia para seu existe produção.
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Não existe muita precisão. É por isso que um sistema de medições internacionais foi criado e existe em todo o mundo, expresso nos padrões de todas as medições conhecidas pelo homem. E apenas o quilograma padrão se destaca na linha de unidades de medida. Afinal, ele é o único que possui um protótipo físico, realmente existente. Quanto pesa o quilograma padrão internacional e em que país é armazenado, responderemos neste artigo.
Por que os padrões são necessários?
Um quilograma de, por exemplo, laranjas pesa o mesmo na África e na Rússia? A resposta é sim, quase. E tudo graças ao sistema internacional para determinar os padrões do quilograma padrão, metro, segundo e outros parâmetros físicos. Os padrões de medição são necessários para que a humanidade garanta a atividade econômica (comércio) e de construção (unidade de desenhos), industrial (unidade de ligas) e cultural (unidade de intervalos de tempo) e muitas outras áreas de atividade. E se o seu iPhone quebrar em um futuro próximo, é muito provável que isso tenha acontecido devido a mudanças no peso do padrão de massa mais importante.
História dos padrões
Cada civilização tinha seus próprios padrões e normas, que se substituíram ao longo dos séculos. No Antigo Egito, a massa dos objetos era medida em kantars ou kikkars. Na Grécia Antiga eram talentos e dracmas. E na Rússia, a massa das mercadorias era medida em libras ou carretéis. Ao mesmo tempo, pessoas de diferentes sistemas económicos e políticos pareciam concordar que a unidade de medida de massa, comprimento ou outro parâmetro seria comparável a uma única unidade contratual. Curiosamente, mesmo um pood nos tempos antigos poderia diferir em um terço entre comerciantes de diferentes países.
Física e padrões
Acordos, muitas vezes verbais e condicionais, funcionaram até que uma pessoa levasse a ciência e a engenharia a sério. Com a compreensão das leis da física e da química, o desenvolvimento da indústria, a criação da caldeira a vapor e o desenvolvimento do comércio internacional, surgiu a necessidade de padrões uniformes mais precisos. O trabalho preparatório foi longo e meticuloso. Físicos, matemáticos e químicos de todo o mundo trabalharam para encontrar um padrão universal. E antes de mais nada, o padrão internacional do quilograma, porque é nele que se baseiam outros parâmetros físicos (Ampere, Volt, Watt).
Convenção Métrica
Um evento significativo ocorreu nos arredores de Paris em 1875. Depois, pela primeira vez, 17 países (incluindo a Rússia) assinaram a convenção métrica. Este é um tratado internacional que garante uniformidade de padrões. Hoje, 55 países aderiram como membros plenos e 41 países como membros associados. Ao mesmo tempo, foram criados o Bureau Internacional de Pesos e Medidas e o Comitê Internacional de Pesos e Medidas, cuja principal tarefa era monitorar a unidade da padronização em todo o mundo.
Padrões da primeira convenção métrica
O padrão do medidor era uma régua feita de uma liga de platina e irídio (9 para 1) com comprimento de um quadragésimo milionésimo do meridiano de Paris. Um quilograma padrão feito da mesma liga correspondia à massa de um litro (decímetro cúbico) de água a uma temperatura de 4 graus Celsius (maior densidade) à pressão padrão acima do nível do mar. O segundo padrão passou a ser 1/86400 da duração de um dia solar médio. Todos os 17 países participantes da convenção receberam uma cópia da norma.
Lugar Z
Os protótipos e o padrão original estão hoje armazenados na Câmara de Pesos e Medidas em Sèvres, perto de Paris. É nos arredores de Paris que fica o local onde são armazenados os padrões quilograma, metro, candela (intensidade luminosa), ampere (intensidade atual), kelvin (temperatura) e mol (como unidade de matéria, não existe padrão físico). . O sistema de pesos e medidas baseado nesses seis padrões é denominado Sistema Internacional de Unidades (SI). Mas a história das normas não terminou aí; estava apenas começando.
SI
O sistema de padrões que utilizamos - SI (SI), do francês Systeme International d'Unites - inclui sete grandezas básicas. São eles metro (comprimento), quilograma (massa), ampere (corrente), candela (intensidade luminosa), kelvin (temperatura), mol (quantidade de substância). Todas as outras grandezas físicas são obtidas por vários cálculos matemáticos usando grandezas básicas. Por exemplo, a unidade de força é kg x m/s 2. Todos os países do mundo, exceto os EUA, a Nigéria e Mianmar, utilizam o sistema SI para medições, o que significa comparar uma quantidade desconhecida com um padrão. E um padrão equivale a um valor físico que todos concordam ser absolutamente preciso.
Quanto custa o quilo padrão?
Pareceria algo mais simples - o padrão de 1 quilograma é o peso de 1 litro de água. Mas, na realidade, isso não é inteiramente verdade. O que considerar como quilograma padrão de cerca de 80 protótipos é uma questão bastante complicada. Mas por acaso foi escolhida a composição ideal da liga, que durou mais de 100 anos. O quilograma padrão de massa é feito de uma liga de platina (90%) e irídio (10%) e é um cilindro cujo diâmetro é igual à sua altura e é de 39,17 milímetros. Também foram feitas cópias exatas, totalizando 80 peças. Cópias do padrão de quilograma estão localizadas nos países participantes da convenção. O padrão principal é armazenado nos arredores de Paris e acondicionado em três cápsulas lacradas. Onde quer que o padrão do quilograma esteja localizado, a reconciliação com o padrão internacional mais importante é realizada a cada dez anos.
O padrão mais importante
O Padrão Internacional do Quilograma foi lançado em 1889 e é guardado em Sèvres, França, num cofre do Bureau Internacional de Pesos e Medidas, coberto com três tampas de vidro seladas. Apenas três representantes de alto escalão da agência possuem as chaves deste cofre. Junto com o padrão principal, o cofre também contém seis de suas duplicatas ou sucessores. Todos os anos, o principal que é aceito como quilograma padrão é retirado solenemente para exame. E a cada ano ele fica cada vez mais magro. A razão para esta perda de peso é o desprendimento de átomos durante a extração da amostra.
Versão russa
Uma cópia da norma também está disponível na Rússia. Ele é armazenado no Instituto Russo de Pesquisa de Metrologia. Mendeleev em São Petersburgo. São dois protótipos de platina-irídio - nº 12 e nº 26. Eles estão em um suporte de quartzo, coberto com duas tampas de vidro e trancados em um cofre de metal. A temperatura do ar dentro das cápsulas é de 20 °C, umidade de 65%. O protótipo doméstico pesa 1.000000087 quilos.
O quilograma padrão está perdendo peso
As comparações padrão mostraram que a precisão dos padrões nacionais é de cerca de 2 microgramas. Todos eles são armazenados em condições semelhantes, e os cálculos mostram que o quilograma padrão perde 3 x 10 −8 de peso ao longo de cem anos. Mas, por definição, a massa do padrão internacional corresponde a 1 quilograma, e qualquer alteração na massa real do padrão leva a uma alteração no próprio valor do quilograma. Em 2007, descobriu-se que um cilindro de quilograma passou a pesar 50 microgramas a menos. E sua perda de peso continua.
Novas tecnologias e um novo padrão de medição de peso
Para eliminar erros, está em andamento a busca por uma nova estrutura do quilograma padrão. Existem desenvolvimentos para determinar uma certa quantidade de isótopos de silício-28 como padrão. Existe um projeto “Quilograma Eletrônico”. O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (2005, EUA) projetou um dispositivo baseado no que é necessário para criar um campo eletromagnético capaz de levantar 1 kg de massa. A precisão dessa medição é de 99,999995%. Existem desenvolvimentos na determinação da massa em relação à massa restante do nêutron. Todos estes desenvolvimentos e tecnologias permitir-nos-ão deixar de estar presos a um padrão de massa física, para alcançar uma maior precisão e a capacidade de realizar a reconciliação em qualquer parte do mundo.
Outros projetos promissores
E enquanto os luminares científicos do mundo determinam qual forma de resolver o problema é mais confiável, o mais promissor é considerado um projeto em que a massa não mudará com o tempo. Tal padrão seria um corpo cúbico feito de átomos do isótopo carbono-12 com altura de 8,11 centímetros. Haveria 2.250 x 2.81489633 átomos de carbono-12 em tal cubo. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA propõem determinar o quilograma padrão usando a constante de Planck e a fórmula E=mc^2.
Sistema métrico moderno
Os padrões modernos não são mais o que eram antes. O metro, originalmente relacionado à circunferência do planeta, corresponde hoje à distância que um raio de luz percorre em um 299.792.458 avos de segundo. Mas um segundo é o tempo durante o qual passam 9192631770 vibrações de um átomo de césio. As vantagens da precisão quântica neste caso são óbvias, pois podem ser reproduzidas em qualquer lugar do planeta. Como resultado, o único padrão que existe fisicamente continua sendo o padrão do quilograma.
Quanto custa o padrão?
Existindo há mais de 100 anos, o padrão já vale muito como item único e artefato. Mas, em geral, para determinar o equivalente de preço, é necessário calcular o número de átomos em um quilograma de ouro puro. O número virá de cerca de 25 dígitos, e isso não leva em conta o valor ideológico deste artefato. Mas é cedo para falar em vender o padrão quilograma, porque o único padrão físico remanescente do sistema internacional de unidades ainda não foi eliminado.
Em todos os fusos horários do planeta, a hora é determinada em relação ao UTC (por exemplo, UTC+4:00). O que chama a atenção é que a abreviatura não tem nenhuma decodificação, foi adotada em 1970 pela União Internacional de Telecomunicações. Foram propostas duas opções: o CUT (Tempo Universal Coordenado) inglês e o TUC (Temps Universel Coordonné) francês. Escolhemos uma abreviatura neutra média.
No mar, utiliza-se a medida do “nó”. Para medir a velocidade do navio, usaram um tronco especial com nós na mesma distância, que jogaram ao mar e contaram o número de nós durante um determinado período de tempo. Os dispositivos modernos são muito mais avançados que uma corda com nós, mas o nome permanece.
A palavra escrupulosidade, cujo significado é extrema precisão e exatidão, veio para as línguas a partir do nome do antigo padrão de peso grego - escrúpulo. Era igual a 1,14 gramas e era usado na pesagem de moedas de prata.
Os nomes das unidades monetárias também têm frequentemente origem nos nomes das medidas de peso. Assim, libra esterlina na Grã-Bretanha era o nome dado às moedas feitas de prata; tais moedas pesavam uma libra. Na Antiga Rus, eram usadas “hryvnias de prata” ou “hryvnias de ouro”, o que significava um certo número de moedas expressas em peso equivalente.
A estranha medição da potência do carro tem uma origem muito real. O inventor da máquina a vapor decidiu demonstrar desta forma a vantagem de sua invenção sobre o transporte de tração. Ele calculou quanto um cavalo poderia levantar por minuto e designou essa quantidade como um cavalo-vapor.
Provavelmente, muitos leitores se lembram do anúncio televisivo de uma operadora móvel, em que aparecia o famoso slogan “Quanto custa em gramas?”. “A precisão nunca é supérflua”, resumiu um dos heróis sua pergunta rolo. Na verdade, ele era astuto - é impossível pesar com precisão, digamos, 200 gramas de alguma coisa. E não é apenas que os métodos de pesagem existentes sejam ruins - é apenas que as pessoas não têm um padrão confiável para um quilograma e, portanto, para um grama.
Surgiu a necessidade de desenvolver padrões, a partir dos quais seja possível determinar os valores de massa, tempo, comprimento e temperatura (e após o advento da física, a intensidade da luz, a intensidade da corrente e uma unidade de matéria). entre a humanidade há muito tempo. Esta necessidade é perfeitamente compreensível - para construir estradas e casas, viagens e comércio, eram necessárias unidades constantes, com as quais dois construtores ou comerciantes pudessem compreender o que estava desenhado nos desenhos um do outro e que quantidades de mercadorias estavam a ser discutidas.
Cada civilização tinha suas próprias unidades de medida: por exemplo, no Antigo Egito, a massa era medida em kantars e kikkars, na Grécia Antiga - em talentos e dracmas, e na Rus' - em poods e zolotniks. Como os cientistas gostam de dizer, ao criar cada uma destas unidades, as pessoas parecem acordado, que a partir de agora a massa, comprimento ou temperatura de algo serão comparados a uma unidade de massa, comprimento ou temperatura, respectivamente. O número daqueles que participaram directamente nestes acordos era muito pequeno - os poods de dois comerciantes de diferentes partes do país poderiam facilmente diferir em um terço.
Como seria um acordo funcionou muito bem até que as pessoas começaram a se envolver seriamente na ciência e a dominar a engenharia. Descobriu-se que valores aproximados não são suficientes para descrever as leis da natureza ou criar uma caldeira a vapor, principalmente se pessoas de diferentes países participarem da obra. Percebendo esse fato, cientistas de todo o mundo começaram a desenvolver padrões, ou padrões, uniformes e precisos para unidades básicas de medida. Em 20 de maio de 1875, foi assinado na França um acordo para estabelecer essas unidades - a Convenção Métrica. Todos os países que assinaram este documento comprometeram-se a usar padrões especialmente criados como padrões. Para fornecer aos estados signatários os padrões mais precisos, foi criada a Câmara Internacional de Pesos e Medidas (ou Bureau Internacional de Pesos e Medidas). As tarefas desta organização incluem a comparação regular dos padrões nacionais entre si e a supervisão do trabalho para criar métodos de medição mais precisos.
Na Rússia, a introdução do sistema métrico está associada ao nome de Dmitry Ivanovich Mendeleev, que criou a Câmara Principal de Pesos e Medidas em 1893 e geralmente fez muito pelo desenvolvimento da metrologia. Ele explicou seu interesse em medições precisas da seguinte maneira: "A ciência começa assim que se começa a medir. A ciência exata é impensável sem medida." Graças aos esforços de Mendeleev, a partir de 1º de janeiro de 1900, na Rússia, juntamente com as nacionais, foi permitida a utilização de medidas métricas.
Após a assinatura da Convenção Métrica, os especialistas começaram a desenvolver padrões comuns para o metro e o quilograma (essas unidades de medida existiam antes de 1875, mas não existiam padrões reconhecidos em todo o mundo). O medidor padrão foi estabelecido após a famosa expedição para medir o comprimento do arco do meridiano de Paris e era uma régua feita de uma liga de platina e irídio na proporção de 9 para 1, cujo comprimento era igual a um quadragésimo milionésimo do meridiano. Com base no local onde estava armazenado, passou a ser chamado de “medidor de arquivo” ou “medidor de arquivo”. O quilograma padrão foi fundido na mesma liga e sua massa correspondia à massa de um decímetro cúbico (litro) de água pura a uma temperatura de 4 graus Celsius (quando a água está em sua densidade máxima) e pressão atmosférica padrão ao nível do mar . Em 1889, durante a primeira Conferência Geral de Pesos e Medidas, foi adotado um sistema de medidas baseado nos padrões recém-produzidos do metro e do quilograma, bem como no padrão do segundo. O padrão para um segundo passou a ser considerado 1/86400 da duração de um dia solar médio (mais tarde o padrão foi vinculado ao ano tropical - um segundo foi igualado a 1/31556925,9747 de sua parte). Os países que reconheceram o novo sistema de medidas receberam cópias dessas normas, e os protótipos foram enviados à Câmara de Pesos e Medidas para armazenamento.
Depois de algum tempo, os padrões de candela (intensidade de luz), ampere (intensidade de corrente) e kelvin (temperatura) foram adicionados a esses três padrões. Em 1960, a Décima Primeira Conferência Geral de Pesos e Medidas adotou um sistema de pesos e medidas baseado no uso dessas seis unidades e do mol (uma unidade de quantidade de uma substância - não existe um padrão para isso) - o novo sistema foi chamado de Sistema Internacional de Unidades, ou SI. Parece que era aqui que a história das normas deveria ter terminado, mas, na realidade, estava apenas começando.
Tudo o que pode dar errado...
À medida que a tecnologia de medição melhorou, ficou claro que todos os padrões armazenados em Paris não eram ideais. Gradualmente, os cientistas chegaram à conclusão de que valia a pena tomar como padrões para unidades básicas não objetos feitos pelo homem, mas exemplos muito mais avançados já criados pela natureza. Assim, o segundo padrão foi considerado um intervalo de tempo igual a 9192631770 períodos de radiação correspondentes à transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental (quântico) do átomo de césio-133 em repouso a 0 Kelvin na ausência de perturbação por campos externos, e o metro padrão era a distância que a luz percorre no vácuo em um período de tempo igual a 1/299792458 de segundo. Ao contrário dos antigos, os novos padrões são atômicos ou quânticos, ou seja, neles “funcionam” as leis mais “básicas” da natureza.
Gradualmente, seis das sete unidades básicas do SI receberam métodos de reprodução que não exigiam um padrão único armazenado em algum lugar. Teoricamente, qualquer cientista que queira saber exatamente (com muita precisão), por exemplo, quanto tempo dura um segundo, pode pegar um ou dois miligramas do isótopo césio-133 e contar quando ocorrem 919.263.1770 períodos de radiação (a propósito, seus próprios padrões de tempo atômico são estabelecidos, por exemplo, em todos os satélites GPS). Resta apenas um quilo de “em meninas” - seu padrão ainda está acumulando poeira em um porão profundo perto de Paris.
A palavra “juntar poeira” no parágrafo anterior não é de forma alguma uma decoração estilística - a poeira está, na verdade, acumulando-se gradualmente no padrão do quilograma, apesar de todas as contra-medidas. É impossível retirar um cilindro de platina-irídio e limpá-lo - em primeiro lugar, ao removê-lo, a poeira voltará a assentar sobre ele e, em segundo lugar, limpar ou mesmo abanar com uma escova inevitavelmente fará com que várias moléculas “rebatem”. Em outras palavras, não importa o que seja feito ou não com o padrão, sua massa muda com o tempo. Durante muito tempo acreditou-se que essas mudanças eram insignificantes, mas uma verificação realizada há vários anos mostrou que recentemente o padrão “perdeu peso” em 50 microgramas, o que já é uma perda impressionante.
Toupeira, silício e ouro
Uma possível saída para esta triste situação (nos próximos bilhões de anos o padrão se tornará um terço mais leve) foi proposta em 2007 por dois cientistas americanos do Georgia Institute of Technology. Em vez de um cilindro mutável, propuseram considerar um cubo de carbono, que conteria um número estritamente definido de átomos, como padrão de massa. Como a massa de cada átomo individual é constante, a massa do seu agregado também não mudará. Os pesquisadores calcularam que um cubo pesando exatamente um quilograma consistiria em 2.250 x 28148963 3 átomos (50184513538686668007780750 átomos) e sua borda teria 8,11 centímetros. Ao longo de três anos, os cientistas esclareceram alguns detalhes e apresentaram suas reflexões em um artigo, cuja pré-impressão pode ser encontrada no site arXiv.org.
Os físicos americanos estavam preocupados com o problema do padrão do quilograma e escolheram o carbono como elemento de “referência” por uma razão - antes disso eles estavam trabalhando no refinamento do número de Avogadro, uma das constantes fundamentais que determina quantos átomos estão contidos em um mol de qualquer substância. Embora esse número seja um dos mais importantes da química, seu significado exato não existe (entre outras questões, os cientistas, por exemplo, decidiam se era par ou não). O número de Avogadro é escolhido de forma que a massa de um mol em gramas seja igual à massa de uma molécula (átomo) em unidades de massa atômica. Um átomo de carbono tem massa de 12 unidades de massa atômica, o que significa que a massa de um mol de carbono deve ser de 12 gramas. Ao refinar o número de Avogadro e considerá-lo igual a 84446886 3 (602214098282748740154456), os pesquisadores conseguiram calcular o número necessário de átomos de carbono no padrão.
É possível que o novo trabalho seja considerado na próxima Conferência Geral de Pesos e Medidas, que será realizada em 2011. No entanto, os cientistas da Geórgia têm concorrentes. Por exemplo, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia de Washington está trabalhando ativamente no conceito do quilograma eletrônico. Resumidamente, a essência do método que propõem é a seguinte: o padrão é determinado através da intensidade da corrente, necessária para criar um campo magnético capaz de equilibrar uma carga de um quilograma. Este método é muito bom porque permite obter alta precisão (baseia-se no uso de outra constante fundamental - a constante de Planck), mas o experimento em si é extremamente complexo.
Outra versão do novo padrão é uma esfera de silício, cujos parâmetros são calculados de tal forma que conterá um número estritamente definido de átomos (este cálculo pode ser realizado, uma vez que os cientistas conhecem a distância entre os átomos individuais, e o processo de produção de silício puro está muito bem estabelecido). Tal esfera até foi criada, mas imediatamente surgiram dificuldades com ela, lembrando as dificuldades do padrão atual - com o tempo, a esfera perde alguns de seus átomos e, além disso, forma-se sobre ela uma película de óxido de silício.
A terceira abordagem para a criação de um padrão pressupõe que ele será produzido sempre de novo. Para obter um padrão de massa, é necessário acumular íons de bismuto e ouro até que sua carga total atinja um determinado valor. Este método já foi reconhecido como insatisfatório: leva muito tempo e os resultados são pouco reprodutíveis. Em geral, com grande probabilidade, todos os métodos descritos para obtenção de um novo padrão de quilograma, exceto o método baseado na utilização do número de Avogadro, permanecerão apenas na memória dos historiadores da ciência, pois, ao contrário dos demais, o quilograma padrão na forma de um cubo do isótopo carbono-12 é baseado no uso direto de um dos conceitos atômicos fundamentais.
Não está claro se o padrão de carbono se tornará geralmente aceito ou se os cientistas encontrarão uma forma nova e mais conveniente. Mas não há dúvida de que o cilindro armazenado em Paris, que serviu fielmente as pessoas durante 120 anos, em breve se aposentará.
