Une sphère de silicium-28 d'une pureté de 99,9998% peut être utilisée pour calculer le nombre d'Avogadro le plus précis, qui sera inclus dans la détermination de l'unité de mesure de la quantité d'une substance connue sous le nom de taupe. Photo: Laboratoire national de physique du Royaume-Uni

Le Bureau international des poids et mesures prévoit d'effectuer la réforme la plus importante du système international d'unités (SI) depuis la dernière révision majeure de cette norme en 1960, écrit Nature . Nous devrons accepter de nouveaux GOST et apporter des corrections aux manuels de physique des écoles et des universités.

À l'heure actuelle, SI (la version moderne du système métrique) est accepté comme système principal d'unités par la plupart des pays du monde et est utilisé presque partout dans le domaine de la technologie. Une définition complète de toutes les unités SI est donnée dans la brochure officielle (8e édition) et son supplément de 2014 . La norme actuelle a été approuvée en URSS le 1er janvier 1963 par GOST 9867-61 «Système international d'unités».

Les dirigeants de l'organisation internationale voteront pour les changements proposés à la Conférence générale des poids et mesures en 2018 , et si la décision est positive, les changements entreront en vigueur en mai 2019. Les nouvelles définitions des unités et des normes n'affecteront pas la vie des gens ordinaires: un kilogramme de pommes de terre dans le magasin restera le même kilogramme de pommes de terre. La balance mesurera les légumes et la viande avec la même précision qu'auparavant. Mais ces définitions sont importantes pour les scientifiques, car dans la recherche scientifique, la précision idéale des formulations et des mesures doit être observée. Le Bureau international des poids et mesures estime que les nouvelles normes "fourniront le plus haut niveau de précision dans diverses méthodes de mesure à tout endroit et à tout moment et à toute échelle, sans perte de précision".

Alors, quels changements nous attendent?

Le Bureau international des poids et mesures a maintenant l'intention de réviser les définitions et les normes des unités suivantes:

• ampères
• kilogramme
• Kelvin
• taupe

Il convient de noter que ci-après les nouvelles définitions sont données sous forme abrégée et ne correspondent pas exactement au texte enregistré dans le document officiel. Le document lui-même et les valeurs finales des constantes seront publiés prochainement.

Kilogramme

La définition moderne a été adoptée par la III Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en 1901 et est formulée comme suit: "Un kilogramme est une unité de masse égale à la masse du prototype international d'un kilogramme." Dans le même temps, le prototype international (standard) d'un kilogramme est stocké au Bureau international des poids et mesures (situé dans la ville de Sèvres près de Paris) et est un cylindre d'un diamètre et d'une hauteur de 39,17 mm en alliage platine-iridium (90% platine, 10% iridium). La taille du prototype correspond à peu près à la taille d'une balle de golf.


Image informatique d'un prototype de kilogramme international

Le problème avec la norme du kilogramme est que tous les matériaux peuvent perdre des atomes ou, inversement, se reconstituer avec des atomes de l'espace environnant. En particulier, divers exemplaires officiels du kilogramme de référence, qui est stocké à Sèvres, diffèrent en poids de la norme officielle. La différence atteint 60 microgrammes. De tels changements se sont produits sur plus de 100 ans depuis la création des copies.



Un autre problème avec les unités à échelle fixe est que l'élément d'incertitude (erreur) augmente avec la distance de ce point fixe (référence). Par exemple, maintenant lors de la mesure d'un milligramme, l'élément d'incertitude est 2500 fois plus grand que lors de la mesure d'un kilogramme.



Ce problème est résolu en déterminant l'unité de mesure par une autre constante physique. En fait, la nouvelle définition du kilogramme a fait exactement cela: la constante de Planck est utilisée ici.

Nouvelle définition : 1 kilogramme est égal à la constante de Planck divisée par 6,626070040 × 10 ⁻³⁴ m ² · s ^-1 . Pour exprimer des unités, la constante de Planck est requise.

En pratique, la mesure de masse est possible à l'aide d' échelles de watt : à travers deux expériences distinctes avec une comparaison des forces mécaniques et électromagnétiques, puis en déplaçant la bobine à travers un champ magnétique pour créer une différence de potentiel (dans l'illustration ci-dessous). En gros, la masse est calculée par l'électricité, ce qui est nécessaire pour soulever un objet se trouvant de l'autre côté de l'échelle.

Kelvin

Définition moderne : comme écrit dans GOST, 1 kelvin est égal à 1 / 273.16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau. Le début de l'échelle (0 K) coïncide avec un zéro absolu. Dans l'annexe technique obligatoire du texte de l'échelle internationale de température ITS-90, le comité consultatif thermométrique a établi les exigences relatives à la composition isotopique de l'eau lors de la réalisation de la température du point triple de l'eau.

Point triple de l'eau - des valeurs de température et de pression strictement définies auxquelles l'eau peut simultanément et en équilibre exister sous la forme de trois phases - à l'état solide, liquide et gazeux.

Le Comité international des poids et mesures a confirmé que la définition du kelvin se réfère à l'eau, dont la composition isotopique est déterminée par les relations suivantes:

0,00015576 mol ² H par mole ¹ N
0,0003799 mol ¹⁷ O par mole ¹⁶ O
0,0020052 mole de ¹⁸ O par mole de ¹⁶ O.

Les problèmes de la définition moderne sont évidents. Dans la mise en œuvre pratique, la valeur du kelvin dépend de la composition isotopique de l'eau, et dans la pratique, il est pratiquement impossible d'obtenir la composition moléculaire de l'eau, ce qui correspond à l'annexe technique du texte de l'échelle internationale de température MTS-90.

En 2011, lors d'une réunion de la Conférence générale des poids et mesures, il a été proposé dans une future édition du Système international d'unités de redéfinir le kelvin en le reliant à la valeur de la constante de Boltzmann. Ainsi, la valeur du kelvin sera fixée avec précision pour la première fois.

Nouvelle définition : 1 kelvin correspond à un changement d'énergie thermique de 1 380 648 52 × 10 ⁻²³ joules. Pour exprimer une unité, la constante de Boltzmann est requise.

Vous pouvez mesurer la température exacte en mesurant la vitesse du son dans une sphère remplie de gaz. La vitesse du son est proportionnelle à la vitesse de déplacement des atomes.

Mole

La définition moderne : mole est la quantité de substance dans un système contenant autant d'éléments structurels qu'il y a d'atomes dans le carbone 12 pesant 0,012 kg. Lors de l'utilisation d'une taupe, les éléments structurels doivent être spécifiés et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons et d'autres particules ou des groupes spécifiés de particules.

Nouvelle définition : la quantité d'une substance dans un système qui contient 6,022140857 × 10 ²³ unités structurales spécifiées. Pour exprimer une unité, la constante Avogadro (nombre Avogadro) est requise.

Pour calculer le nombre d'Avogadro - et déterminer la taupe à travers lui - les scientifiques proposent de créer une sphère idéale de silicium pur 28. Cette substance a un réseau cristallin idéalement précis, de sorte que le nombre d'atomes dans une sphère peut être déterminé en mesurant avec précision le diamètre de la sphère (en utilisant un système laser). Contrairement à la pièce existante d'alliage platine-iridium, le taux de perte des atomes de silicium-28 est précisément prévisible, ce qui vous permet de faire des ajustements à la norme.

Les premières expériences pour créer une telle norme ont été entreprises en 2007. Des chercheurs de l'Institut de croissance des cristaux de Berlin sous la direction de Helge Riemann ont acheté du silicium 28 enrichi en Russie et ont pu obtenir un échantillon d'isotope 28 d'une pureté de 99,994%. Après cela, les chercheurs ont analysé la composition de 0,006% des atomes "en excès" pendant plusieurs années, déterminé le volume exact de la sphère et effectué une analyse de diffraction des rayons X. Il était initialement supposé que les sphères «idéales» de silicium-28 pouvaient être approuvées comme nouvelle norme pour un kilogramme. Mais maintenant, il est plus probable qu'ils soient utilisés pour calculer le nombre d'Avogadro et, par conséquent, déterminer le grain de beauté. De plus, depuis le temps écoulé depuis 2007, les physiciens ont appris à produire du silicium-28 beaucoup plus pur.


Sphère de silicium-28 d'une pureté de 99,9998. Photo: CSIRO Presicion Optics

En 2014, des physiciens américains ont réussi à enrichir le silicium 28 à une qualité sans précédent de 99,9998% dans le cadre d'un projet international de calcul du nombre d'Avogadro.

Ampère

Une définition moderne a été proposée par le Comité international des poids et mesures en 1946 et adoptée par la IX Conférence générale des poids et mesures (GKMV) en 1948: «L'ampère est la force d'un courant immuable, qui, lors du passage à travers deux conducteurs rectilignes parallèles de longueur infinie et une petite zone négligeable de transverse circulaire une section située dans le vide à une distance de 1 mètre les uns des autres provoquerait une force d'interaction de 2 · 10 ⁻⁷ Newton dans chaque section d'un conducteur de 1 mètre de long ».

Dans la définition moderne, un ampère est déterminé par une certaine expérience de pensée, qui prévoit l'apparition d'une force dans deux fils de longueur infinie. Evidemment, en pratique, on ne peut pas mesurer une telle force, car par définition il ne peut pas y avoir deux conducteurs de longueur infinie.

Il a été proposé de modifier la définition de l'ampère lors de la même réunion de la Conférence générale des poids et mesures en octobre 2011 que la définition du kelvin. L'idée était que la nouvelle définition ne devrait pas être basée sur des artefacts créés par l'homme à travers une expérience de pensée, mais sur des constantes physiques fondamentales ou des propriétés d'atomes. Ainsi, la nouvelle définition n'est exprimée que par une constante - la charge de l'électron.

Nouvelle définition : courant électrique correspondant à un flux de 1 / 1.6021766208 × 10 ⁻¹⁹ charges électriques élémentaires par seconde. Pour exprimer l'unité, une charge d'électrons est requise.

En pratique, pour déterminer l'ampère, vous n'aurez besoin que d'un seul outil: une pompe à un électron. Ces outils ont été créés il y a plusieurs années . Ils vous permettent de déplacer un certain nombre d'électrons au cours de chaque cycle de pompe, ce qui est une qualité extrêmement précieuse pour la science fondamentale et la métrologie.

Les définitions de seconde, mètre et candela semblent rester inchangées, comme le montre l' illustration .



Dans le nouveau système SI, la définition de toutes les unités est exprimée en termes de constante avec une valeur fixe. De nombreuses unités sont définies conjointement avec d'autres unités. Par exemple, la définition d'un kilogramme est déterminée par la constante de Planck, ainsi que par la définition d'une seconde et d'un mètre.

On pense qu'un tel système est beaucoup plus stable et autosuffisant.