Se puede usar una esfera de silicio-28 con una pureza del 99.9998% para calcular el número de Avogadro más preciso, que se incluirá en la determinación de la unidad de medida de la cantidad de una sustancia conocida como mole. Foto: Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido

La Oficina Internacional de Pesos y Medidas planea llevar a cabo la reforma más significativa en el sistema internacional de unidades (SI) desde la última revisión importante de esta norma en 1960, escribe Nature . Tendremos que aceptar nuevos GOST, así como hacer correcciones a los libros de texto de física en las escuelas y universidades.

Actualmente, SI (la versión moderna del sistema métrico) es aceptado como el principal sistema de unidades por la mayoría de los países del mundo y se usa en casi todas partes en el campo de la tecnología. Se proporciona una definición completa de todas las unidades SI en el folleto oficial (octava edición) y su suplemento de 2014 . El estándar actual fue aprobado en la URSS el 1 de enero de 1963 por GOST 9867-61 "Sistema internacional de unidades".

El liderazgo de la organización internacional votará por los cambios propuestos en la Conferencia General de Pesos y Medidas en 2018 , y si la decisión es positiva, los cambios entrarán en vigencia en mayo de 2019. Las nuevas definiciones de unidades y estándares no afectarán la vida de la gente común: un kilogramo de papas en la tienda seguirá siendo el mismo kilogramo de papas. La balanza medirá verduras y carne con la misma precisión que antes. Pero estas definiciones son importantes para los científicos, porque en la investigación científica se debe observar la precisión ideal de las formulaciones y mediciones. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas cree que los nuevos estándares "proporcionarán el más alto nivel de precisión en varios métodos de medición en cualquier lugar y tiempo y en cualquier escala, sin pérdida de precisión".

Entonces, ¿qué cambios nos esperan?

Ahora la Oficina Internacional de Pesos y Medidas tiene la intención de revisar las definiciones y estándares de las siguientes unidades:

• amperios
• kilogramo
• Kelvin
• topo

Cabe señalar que en lo sucesivo las nuevas definiciones se dan en forma abreviada y no se corresponden exactamente con el texto que se registra en el documento oficial. El documento en sí y los valores finales de las constantes se publicarán en breve.

Kilogramo

La definición moderna fue adoptada por la III Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) en 1901 y se formula de la siguiente manera: "Un kilogramo es una unidad de masa igual a la masa del prototipo internacional de un kilogramo". Al mismo tiempo, el prototipo internacional (estándar) de un kilogramo se almacena en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (ubicada en la ciudad de Sevres, cerca de París) y es un cilindro con un diámetro y una altura de 39,17 mm de aleación de platino-iridio (90% de platino, 10% de iridio). El tamaño del prototipo corresponde aproximadamente al tamaño de una pelota de golf.


Imagen de computadora de un prototipo internacional de kilogramo

El problema con el estándar de kilogramo es que cualquier material puede perder átomos o, por el contrario, reponerse con átomos del espacio circundante. En particular, varias copias oficiales del kilogramo de referencia, que se almacena en Sevres, difieren en peso del estándar oficial. La diferencia alcanza los 60 microgramos. Tales cambios han ocurrido durante más de 100 años desde la creación de las copias.



Otro problema con las unidades de escala fija es que el elemento de incertidumbre (error) aumenta con la distancia desde este punto fijo (referencia). Por ejemplo, ahora cuando se mide un miligramo, el elemento de incertidumbre es 2500 veces mayor que cuando se mide un kilogramo.



Este problema se resuelve determinando la unidad de medida a través de otra constante física. En realidad, la nueva definición de kilogramo hizo exactamente eso: aquí se usa la constante de Planck.

Nueva definición : 1 kilogramo es igual a la constante de Planck dividida por 6.626070040 × 10 ⁻³⁴ m ² · s ⁻¹ . Para expresar unidades, se requiere la constante de Planck.

En la práctica, la medición de masa es posible utilizando escalas de vatios : a través de dos experimentos separados con una comparación de fuerzas mecánicas y electromagnéticas, y luego moviendo la bobina a través de un campo magnético para crear una diferencia de potencial (en la siguiente ilustración). En términos generales, la masa se calcula a través de la electricidad, que es necesaria para levantar un objeto que se encuentra al otro lado de la balanza.

Kelvin

Definición moderna : como está escrito en GOST, 1 kelvin es igual a 1 / 273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. El comienzo de la escala (0 K) coincide con un cero absoluto. En el Apéndice técnico obligatorio del texto de la Escala de temperatura internacional ITS-90, el Comité Asesor Termométrico estableció los requisitos para la composición isotópica del agua al darse cuenta de la temperatura del punto triple del agua.

Punto triple del agua: valores de temperatura y presión estrictamente definidos en los que el agua puede existir simultáneamente y en equilibrio en forma de tres fases, en estado sólido, líquido y gaseoso.

El Comité Internacional de Pesos y Medidas confirmó que la definición de kelvin se refiere al agua, cuya composición isotópica está determinada por las siguientes relaciones:

0.00015576 mol ² H por mol ¹ N
0.0003799 mol ¹⁷ O por mol ¹⁶ O
0.0020052 moles de ¹⁸ O por mol de ¹⁶ O.

Los problemas de la definición moderna son obvios. En la implementación práctica, el valor de kelvin depende de la composición isotópica del agua, y en la práctica es prácticamente imposible lograr la composición molecular del agua, que corresponde al Apéndice técnico del texto de la Escala internacional de temperatura MTS-90.

En 2011, en una reunión de la Conferencia General sobre Pesos y Medidas, se propuso en una futura edición del Sistema Internacional de Unidades redefinir el Kelvin relacionándolo con el valor de la constante de Boltzmann. Por lo tanto, el valor de kelvin se fijará con precisión por primera vez.

Nueva definición : 1 kelvin corresponde a un cambio en la energía térmica de 1,38064852 × 10 ⁻²³ julios. Para expresar una unidad, se requiere la constante de Boltzmann.

Puede medir la temperatura exacta midiendo la velocidad del sonido en una esfera llena de gas. La velocidad del sonido es proporcional a la velocidad de movimiento de los átomos.

Topo

La definición moderna : mol es la cantidad de sustancia en un sistema que contiene tantos elementos estructurales como átomos en el carbono 12 con un peso de 0.012 kg. Cuando se usa un lunar, los elementos estructurales deben especificarse y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones y otras partículas o grupos específicos de partículas.

Nueva definición : la cantidad de una sustancia en un sistema que contiene 6.022140857 × 10 ²³ unidades estructurales especificadas. Para expresar una unidad, se requiere la constante de Avogadro (número de Avogadro).

Para calcular el número de Avogadro, y determinar el lunar a través de él, los científicos proponen crear una esfera ideal de silicio-28 puro. Esta sustancia tiene una red cristalina idealmente precisa, de modo que el número de átomos en una esfera se puede determinar midiendo con precisión el diámetro de la esfera (usando un sistema láser). A diferencia de la pieza existente de aleación de platino-iridio, la tasa de pérdida de átomos de silicio-28 es predecible con precisión, lo que le permite realizar ajustes al estándar.

Los primeros experimentos para crear tal estándar se llevaron a cabo en 2007. Investigadores del Instituto de Berlín para el Crecimiento Cristalino bajo el liderazgo de Helge Riemann compraron silicio-28 enriquecido en Rusia y pudieron obtener una muestra del isótopo 28 con una pureza del 99,994%. Después de eso, los investigadores analizaron la composición del 0,006% de los átomos "en exceso" durante varios años más, determinaron el volumen exacto de la esfera y realizaron un análisis de difracción de rayos X. Inicialmente se supuso que las esferas "ideales" de silicio-28 podrían aprobarse como el nuevo estándar para un kilogramo. Pero ahora es más probable que se usen para calcular el número de Avogadro y, como consecuencia, determinar el lunar. Además, desde el tiempo transcurrido desde 2007, los físicos han aprendido a producir silicio-28 mucho más puro.


Esfera de silicio-28 con una pureza de 99.9998. Foto: CSIRO Presicion Optics

En 2014, los físicos estadounidenses lograron enriquecer el silicio 28 a una calidad sin precedentes del 99,9998% como parte de un proyecto internacional para calcular el número de Avogadro.

Amperio

El Comité Internacional de Pesos y Medidas propuso una definición moderna en 1946 y fue adoptada por la IX Conferencia General de Pesos y Medidas (GKMV) en 1948: "El amperaje es la fuerza de una corriente inmutable que, al pasar a través de dos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita y una pequeña área insignificante de transversal circular una sección ubicada en el vacío a una distancia de 1 metro entre sí causaría una fuerza de interacción de 2 · 10 ⁻⁷ Newton en cada sección de un conductor de 1 metro de largo ”.

En la definición moderna, un amperio se determina a través de cierto experimento mental, que proporciona la aparición de fuerza en dos cables de longitud infinita. Obviamente, en la práctica, no podemos medir tal fuerza, porque por definición no puede haber dos conductores de longitud infinita.

Se propuso cambiar la definición de amperio en la misma reunión de la Conferencia General de Pesos y Medidas en octubre de 2011 como la definición de kelvin. La idea era que la nueva definición no debería basarse en artefactos hechos por el hombre a través de un experimento mental, sino en constantes físicas fundamentales o propiedades de los átomos. Entonces, la nueva definición se expresa solo a través de una constante: la carga del electrón.

Nueva definición : corriente eléctrica correspondiente a un flujo de 1 / 1.6021766208 × 10 ⁻¹⁹ cargas eléctricas elementales por segundo. Para expresar la unidad, se requiere una carga de electrones.

En la práctica, para determinar el amperaje, solo necesitará una herramienta: una bomba de un solo electrón. Dichas herramientas fueron creadas hace varios años . Le permiten mover una cierta cantidad de electrones durante cada ciclo de bombeo, que es una cualidad extremadamente valiosa para la ciencia y la metrología fundamentales.

Las definiciones de segundo, medidor y candela parecen permanecer sin cambios, como se muestra en la ilustración .



En el nuevo sistema SI, la definición de todas las unidades se expresa en términos de una constante con un valor fijo. Muchas unidades se definen junto con otras unidades. Por ejemplo, la definición de un kilogramo se determina a través de la constante de Planck, así como a través de la definición de un segundo y un medidor.

Se cree que dicho sistema es mucho más estable y autosuficiente.