Новый эталон килограмма кратко
Обновлено: 19.05.2024
Участники 26-й Генеральной конференции по мерам и весам, проходившей с 13 по 16 ноября 2018 года в Версале (Франция), единогласно проголосовали за новое определение эталонов четырёх единиц Международной системы СИ – килограмма, ампера, кельвина и моля. На предыдущем этапе обновления системы SI были утверждены новые стандарты секунды (время), канделы (сила света) и метра (длина).
О существовании эталона килограмма в виде специально изготовленного с высокой точностью цилиндра из платино-иридиевого сплава мы впервые узнаём на школьных уроках физики. Этот эталон хранится во французском городе Севре, в Международном бюро мер и весов. Так же давно был изготовлен и эталон метра. Для практического применения в национальных органах стандартизации использовали откалиброванные копии эталонов метра и килограмма. Первые копии эталона килограмма были изготовлены в 1872 году.
Как возникла система СИ
Формирование международной системы единиц измерений началось с 1799 года, когда появились стандарты веса и длины, изготовленные из платины. В 1889 году они были названы международными эталонами. До возникновения современной системы СИ несколько десятилетий базовыми единицами считали сантиметр, грамм, секунда (система СГС), потом в качестве базовых величин были выбраны метр, килограмм и секунда (МКС). В 1939 году предложили к ним добавить ампер и в 1946 году была утверждена система единиц МКСА. На конференции в 1954 году базовыми единицами в дополнение к метру, килограмму и секунде стали ампер, кельвин и кандел. В 1960 году появилось название International System of Units (SI). В результате споров и дискуссий между физиками и химиками 14-я конференция проголосовала за базовую единицу количества вещества и в 1971 году моль вошёл в систему СИ, став седьмой базовой единицей.
Переопределение эталонов
"Изобретение" эталонов и договорённости между многими странами мира об их применении имели огромное значение и влияние на развитие международной торговли, сыграли важную роль в науке и в производстве. Но постепенно у учёных накопились претензии к выбранным в качестве эталонов физическим объектам. Нужна большая точность и стабильность эталонов как единиц измерения.
Например, обнаружили изменение массы у эталона килограмма. Несмотря на принятые строгие условия хранения и меры предосторожности, за прошедшее время после изготовления цилиндра-эталона, его вес изменился на 50 микрограмм. Определение секунды как 1/86400 суток тоже оказалось непостоянной величиной. Первое определение эталона метра как часть диаметра Земли существовало, но перестали использовать.
Одна из копий эталона килограмма (43-я)
В качестве эталона должно быть что-то абсолютно неизменное, желательно общедоступное и чтобы не нужно было его хранить в сейфе. Поэтому начались поиски и выбор иных объектов и процессов, которые можно было бы использовать при определении эталонов для базовых единиц. В 1983 году впервые определили базовую единицу СИ (метр) через фундаментальную константу – скорость света в вакууме.
Метр с секундой были переопределены через скорость света (свет проходит точно 299 792 458 метров за секунду) и излучение охлажденного атома цезия (строго 9 192 631 770 периодов излучения за секунду)
Новый эталон килограмма
С 20 мая 2019 года килограммом будет считаться не вес эталонного цилиндра, килограмм в соответствии с новым подходом отказа от физических артефактов, используемых длительное время в качестве образцов, эталонов единиц измерения, теперь определяется через постоянную Планка, фундаментальную константу.
Килограмм был последней мерой, эталоном которой служил физический прототип, отметил руководитель Национальной лаборатории метрологии и испытаний Франции Тома Гренон. Теперь килограмм будет определяться не весом эталона, а количеством энергии, необходимой для того, чтобы сдвинуть с места объект весом в килограмм.
Новый эталон массы можно реализовать с помощью весов Киббла. Эталоном является груз, который уравновешивает силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускают ток. Таким образом, массу объекта можно найти за счёт равенства электрической и механической сил. Об устройстве и о том, что такое ватт-баланс можно прочитать здесь.
Новое определение ампера
Эталон ампера был утверждён в 1948 г. Он основывался на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током. Теперь учёные решили зафиксировать численное значение электрического заряда и использовать его в определении ампера.
Информация об изменениях в определении базовых единиц в системе СИ
Ниже скриншоты из документа (ссылка на PDF) с информацией об изменениях в Международной системе СИ. Несколько лет, предшествующие голосованию на 26-й конференции, были потрачены на перепроверку и на измерения значений фундаментальных постоянных с максимальной точностью. Значения фундаментальных постоянных, через которые определены все базовые единицы:
Определения семи базовых единиц СИ: новые – для килограмма, ампера, кельвина и моля:
Директор Международного бюро мер и весов Мартин Милтон назвал итоги голосования 16-го ноября "исторической вехой", сравнив его с принятием в 1875 году Метрической конвенции. Теперь взаимосвязи в системе СИ выглядят более гармонично:
Почему это так важно
Все стандартные единицы, кроме килограмма, Международной системы единиц СИ определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов. Первый эталон килограмма, в виде платиновой гири, был изготовлен еще в 1799 году, но его масса оказалась на 0,028 г больше массы 1 куб. дм воды при 4°С, определенного как стандарт. Существующий современный эталон килограмма был создан в 1889 году в виде цилиндра с высотой и диаметром 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). С 19-го века этот эталон хранится в Международном бюро мер и весов около Парижа под тремя герметичными стеклянными колпаками и в публикациях часто фигурирует под названием Le Grand K.
Для охвата всей планеты было изготовлено более 80 официальных копий эталона, которые используются как национальные стандарты килограмма. Раз в 40 лет проводятся процедуры сравнения копий и измерения приносят неутешительные результаты.
Максимальная разница между копиями относительно эталона достигает 50 мкг (микрограмм), что не может не беспокоить ученых.
Очевидно, что в современном высокотехнологичном мире даже такие, казалось бы, минимальные отклонения от эталона могут привести к неприятным, а то и к катастрофическим последствиям. Еще в 199 году Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала всем лабораториям в мире продолжить усилия по выработке способа стандартизации килограмма и установления связи единицы массы с фундаментальными или атомными константами.
Новый стандарт для обеспечения международной безопасности
Да, именно под таким лозунгом работают ученые над новым устройством для определения эталонной единицы массы. Просто представьте себе, что произошла некая катастрофа с реальным предметом Le Grand K – наступает хаос, ведь для обеспечения международного сотрудничества в области космоса, авиации, строительства небоскребов, да во всех областях критично важны единые стандарты измерений.
С 20 мая 2019 года слиток платины и иридия, хранящийся в Международном бюро мер и весов, перестал обозначать килограмм. Теперь эту единицу массы будут определять через постоянную Планка, используя уже имеющиеся эталонные значения длины и времени. Решение об этом приняли на XXVI Генеральной конференции мер и весов.
С 1901 года килограммом считалась масса, равная массе прототипа, хранящегося в Международном бюро мер и весов в городке Севр недалеко от Парижа. Когда-то этот эталон создали для того, чтобы по всему миру привести меру массы к единому стандарту. Со временем, как оказалось, слиток, хранящийся под тремя герметичными колпаками, все-таки менялся, теряя примерно по 50 микрограммов за 100 лет.
Из-за того, что эталон оказался непостоянным, XXVI Генеральная конференция мер и весов, которая прошла в ноябре 2018 года, решила использовать для определения килограмма не материальный предмет, а постоянную Планка. Эта физическая константа определяет связь энергии квантов излучения с частотой.
Теперь килограмм должен быть таким, чтобы постоянная Планка составляла 6,626069 * 10 −34 джоулей на секунду. Джоули выводятся через килограммы, метры и секунды. Для секунд и метра эталон уже есть — секунда, это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения охлажденного атома цезия, а свет проходит за секунду 299 792 458 метров. Для измерения постоянной Планка метрологи используют так называемые весы Киббла. Этот прибор определяет, какой ток нужен для того, чтобы создать электромагнитное поле, способное уравновесить чашу с образцом.
В ноябре 2018 года на конференции Международного бюро мер и весов эксперты приняли решение о внесении изменений в определение величин килограмма, ампера, моля, кельвина, кандела, метра и секунды в международной системе измерений СИ
Все эти физические величины теперь привязаны к физическим константам. Например, килограмм будет рассчитываться через постоянную Планка, кельвин – через постоянную Больцмана, а моль – через число Авогадро.
Новый эталон килограмма является прибором - весами Киббла (балансом Киббла), в котором массу взвешиваемого образца вещества оценивают по силе, противодействующей давлению на детектор массы противоположно направленной силы противодействия катушки индуктивности, через которую пропускают электрический ток. Величину электрического тока и его напряжения с очень высокой точностью откалибровали.
В основе этого метода величина фундаментальной физической константы - Постоянная Планка, точность которой определена с погрешностью 12 частей на миллиард: 6,626 070 15*10^-34 кг * м^2 * с^-1. Размерность Постоянной Хаббла метр квадратный, умноженный на килограмм и делённый на секунду.
Погрешность (размазывание на шкале) измерения массы на весах Киббла составляет 12 частей на миллиард, то есть, 1,2 части на 100 миллионов.
В любом месте на Земле можно построить весы Киббла достаточно высокой точности, при помощи которых независимо от других эталонов можно на месте генерировать эталон килограмма.
Фото "простенького" баланса Киббла представлен в иллюстрации
Тщательно хранимые под тройными герметичными колпаками платиново-иридиевые эталоны килограмма изменяются в массе, за 130 лет отклонение достигло 50 микрограмм. Учёные уверены, что масса эталонов уменьшается. Я уверен в том, что масса эталонов увеличивается.
С новым - электронным эталоном килограмма можно будет зафиксировать этот прирост массы через 50-100 лет, когда накопится достаточная величина относительного прироста эталона, чтобы учёные, верующие в закон сохранения массы вещества без убыли или прироста, не смогли замалчивать, игнорировать прирост вещественных эталонов килограмма и совокупный прирост массы вещества во вселенной.
По моей оценке, космологический прирост массы равен Объёмной Постоянной Хаббла (6,591*10^-18 в секунду), что составляет около 2 десятимиллиардных частей в год. Никакими современными весами, даже балансом Киббла, даже годовой прирост массы эталонов массы вещества невозможно зарегистрировать. А всего лишь за 100 лет масса эталонов килограмма увеличится на 2 части на сто миллионов (20 частей на миллиард), этого уже достаточно, чтобы надёжно выявить прирост массы платиноиридиевых и моноизотопных кремниевых эталонов килограмма.
Но и в веществе катушек индуктивности и других деталях "баланса Киббла" прирастает масса на относительную величину Объёмной Постоянной Хаббла - 6,591*10^-18 в секунду (около 2 десятимиллиардных частей в год; период удвоения массы около 3,3325 миллиардов лет). И масса вещества планеты Земля тоже увеличивается, поэтому сила гравитационного придавливания к Земле вещества деталей этого прибора будет увеличиваться. Масса вещества деталей "баланса Киббла" увеличивается и изменяется изотопный и элементный состав этого вещества, что неотвратимо скажется на точности показателей работы этого прибора. Следовательно, "очень точно" откалиброванные величина тока и напряжения в "балансе Киббла" будет взвешивать в условиях увеличивающейся силы гравитации Земли не только опытный образец вещества, но и катушки индуктивности и (или) чашки, рычаги и иные детали, на которые помещаются измеряемые образцы вещества и которые уравновешивают силы магнитного поля катушки индуктивности и измеряемого образца вещества.
Кстати, а на какую величину периода времени даётся гарантия на сохранение "очень точной", но на целый порядок относительной величины недостаточно точной калибровки величины тока и напряжения этого супер дорогого прибора?
Прибор "баланс Киббла" – это достаточно дорогое устройство и на его сертифицированный запуск во всех основных мировых лаборатория потребуется значительное время и огромные денежные затраты.
Человек занимался измерениями с древних времён. Это было нужно для строительства, изготовления изделий, торговли и планирования деятельности. Каждое государство изобретало свои меры. Ещё полтора века назад в нашей стране размеры мерили вершками, пядями и аршинами, массу — фунтами и пудами, а в качестве мер объёма жидкости можно было встретить чарки и вёдра. В Великобритании до сих пор в ходу дюймы, футы, фунты и пинты.
Потребность в единой системе мер существовала всегда, но со стремительным развитием науки и техники в Новое время она стала просто жизненно необходимой. Интенсивный обмен знаниями и технологиями требовал всё более точных измерений. На революцию в метрологии учёных, видимо, подвиг дух Великой французской революции. В 1795 году во Франции государство официально приняло так называемую метрическую систему мер, базирующуюся на мерах длины и массы.
Французская гравюра, около 1800 года, иллюстрирующая метрическую систему мер: 1 — литр; 2 — грамм; 3 — метр; 4 — ар (100 м 2 ); 6 — стер (эквивалент 1 м 3 , определялся по объёму определённым образом сложенных деревянных брусков). Любопытно, что на пятом месте затесалась денежная единица — франк, так как параллельно была сделана попытка реформы запутанной денежной системы введением в ней десятичного деления. Иллюстрация: L. F. Labrousse / PD
Для универсальности все введённые меры были привязаны к природным объектам, казавшимся тогда одинаковыми повсюду. Единица длины — метр приравнивался к одной сорокамиллионной доле длины парижского меридиана. Единицу массы — грамм — определили как массу кубического сантиметра воды при 4°C, когда вода имеет наибольшую плотность, а секундой назвали 1/86 400 суток (24 часа по 60 минут из 60 секунд как раз дают 86 400 секунд).
Но наша планета — не шар, к тому же вращается она неравномерно. А вода содержит различные примеси, влияющие на результаты измерений. Поэтому во второй половине XIX века было решено задать меры длины и массы посредством эталонов. В 1875 году в Париже семнадцать стран, включая Россию, подписали Метрическую конвенцию, согласно которой создавались эталоны массы и длины. Их оригиналы должны были храниться в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в пригороде Парижа — Севре. А метрологические организации участников конвенции получали точные копии эталонов.
Так родилась современная система мер, которая на сегодняшний день распространена на большей части земного шара. Для её совершенствования с тех пор раз в четыре года в Севре собираются Генеральные конференции по мерам и весам. Любопытно, что в России закон о необязательном использовании метрической системы, проект которого подготовил Д. И. Менделеев, появился лишь в 1899 году, а обязательной она стала лишь после революции, в 1918 году.
Надо сказать, что самый первый эталон длины и массы был изготовлен из платины ещё в 1799 году. Последние варианты сделаны в 1889 году из сплава платины (90%) и иридия (10%). Выбор материала обусловлен химической устойчивостью сплава. Эталон массы выполнен в форме цилиндра с равными высотой и диаметром (чуть более 39 мм). Этим достигалась наименьшая площадь его поверхности и, соответственно, износ. Находится эталон под вакуумным колпаком в комнате, доступ в которую имеют только три человека. Причём, чтобы попасть в неё, они должны одновременно вставить все три имеющихся у них ключа. Первый ключ находится у директора Международного бюро мер и весов, второй — у председателя Международного комитета мер и весов, а третий хранится в Архиве Франции. Эталон длины до 1960 года имел вид Х-образной линейки.
Стремительное развитие новых научных направлений в XIX — начале XX века привело к введению в оборот большого числа новых единиц измерений и нескольких их систем, таких как СГС (1861), МКСА (1901) и других. К середине ХХ века возникла необходимость стандартизировать и упростить сложившуюся сложную совокупность систем и внесистемных единиц в соответствии с современными требованиями. И в 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц СИ (SI, от французского Le Systéme International d’Unités). В неё вошли шесть величин, считающихся основными: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Седьмая единица — количество вещества — моль добавлена в 1971 году. Все остальные физические величины стали производными, то есть определяемыми через основные единицы по соответствующим физическим законам.
Квантовые законы излучения атомов сделали его идеальным инструментом для определения эталонов. Во-первых, уровни энергии, между которыми переходит электрон при излучении, строго фиксированы. А частота и длина волны излучения определяются разностью этих энергий. Во-вторых, все атомы любого химического элемента неразличимы. Это один из основных законов квантовой механики. Криптон везде одинаков.
Новая система СИ
Но прошло не так уж много времени, и новая система тоже перестала удовлетворять учёных. Необходимость повышения точности и универсальности единиц измерения привела к идее связать большинство из них с фундаментальными константами, точность определения которых фантастически возросла. Кроме того, фундаментальные константы идеально подходили для создания эталонов: неизменны, общедоступны и не требуют специальных условий хранения. Это позволило бы во всех странах использовать идентичные высокоточные значения мер. Если для обычных инженерных задач столь огромная точность не нужна, то в фундаментальных исследованиях она подчас имеет большое значение. Возможно, какое-нибудь крошечное расхождение между теорией и экспериментом в физике элементарных частиц позволит обнаружить так называемую Новую физику, поиск которой сейчас активно ведётся на ускорителях. К тому же к концу ХХ века исследования и технологии уверенно преодолели нанорубеж.
Эталон килограмма, хранящийся в Международном бюро мер и весов (BIMP) в Париже. Фото: BIMP
Чтобы понять, чем же не устраивала физиков старая система СИ, рассмотрим, например, единицу термодинамической температуры — кельвин. Она была определена как 1/273,16 температуры тройной точки воды. Тройной точкой называют значения давления и температуры, при которых одновременно находятся в равновесии три фазовых состояния воды: твёрдое, жидкое и газообразное. Однако в воде всегда присутствуют примеси тяжёлых изотопов водорода и кислорода, которые могут значительно сдвигать тройную точку. Использование воды с неправильным изотопным составом может вызвать ошибки в несколько сотен микрокельвинов при измерении тройной точки. Поэтому метрологам пришлось дополнительно разработать отдельный стандарт на используемую для измерений воду — Венский стандарт усреднённой океанской воды (VSMOW). В ней должно быть 0,000155 моля дейтерия на моль обычного водорода, 0,002005 моля кислорода-18 на моль обычного кислорода-16 и т. д. А дальше встаёт задача получения стандартной воды.
Не лучше дела обстояли и с килограммом, который оставался последней мерой, эталоном которой служило физическое тело или, как говорят сами метрологи, артефакт. В конце XX века проверки национальных копий эталона килограмма показали, что за 100 лет их массы изменились относительно главного эталона в диапазоне ±50 микрограммов. Логично предположить, что изменилась масса и главного эталона. Это существенно, учитывая, какая точность в измерениях нужна в настоящее время. Изменяется масса из-за явлений диффузии и испарения вещества эталона, а также его загрязнения в те моменты, когда он извлекался из-под вакуумного колпака.
Проще всего оказалось переопределить метр, который в 1983 году был выражен через скорость света в вакууме. В соответствии с теорией относительности эта скорость всегда одна и та же и равна 299 792 458 м/с. Соответственно, эталон метра стал равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды. А вот с другими единицами пришлось повозиться дольше. Долгое время точность их определения не удовлетворяла метрологов.
В 2005 году метрологи приняли решение использовать постоянную Больцмана для определения единицы термодинамической температуры (кельвин), элементарный электрический заряд для единицы силы тока (ампер), постоянную (число) Авогадро для единицы количества вещества (моль) и постоянную Планка для единицы массы (кг). После этого потребовалось ещё десяток лет для того, чтобы с высочайшей точностью измерить все константы. Так, неопределённость измерения постоянной Планка не должна была превышать 50 × 10 −9 .
И вот наконец работа успешно завершена. 16 ноября 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам, прошедшая в Версале, утвердила новые эталоны. Изменения вступят в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.
В новой версии системы СИ один кельвин — это такое изменение температуры (Т), которое приводит к изменению энергии (Е), приходящейся на одну степень свободы E = kT, где k — постоянная Больцмана. Значение постоянной Больцмана принято равным 1,380649 · 10 −23 .
Единица силы тока — ампер — определена теперь не через силу взаимодействия токов, а через значение элементарного заряда (е, заряд электрона), которое принято равным 1,602176634 × 10 −19 Кл. Заряд (q), прошедший через проводник при протекании в нём тока силой I в течение времени t, можно найти по формуле q = It.
Единица количества вещества — моль — ранее соответствовала количеству атомов, которое содержится в 0,012 килограмма изотопа углерода-12, что означало её связь с массой. Теперь же моль соответствует зафиксированному числу атомов 6,02214076 · 10 23 (постоянная Авогадро).
Как ни странно, но самые большие трудности возникли на пути создания, казалось бы, на первый взгляд самого простого эталона — килограмма. С ним физики провозились дольше всего. Но и эту проблему удалось решить. В новой версии системы СИ килограмм должен оказаться таким, чтобы постоянная Планка составила ровно 6,62607015 · 10 −34 Дж · с. Измерения эталона производятся с помощью специальных весов, где вес тела уравновешивается электромагнитной силой, которая рассчитывается на основе постоянной Планка.
Благодаря такому подходу каждая страна теперь может в любое время воспроизвести эталонную установку самостоятельно и создать свой эталон, не прибегая к сверке с главным эталоном. Это позволит избежать и проблем, связанных с изменением эталона, а также возможности его утери, уничтожения или повреждения.
Весы Киббла
Установка, с помощью которой можно создать новый эталон массы, называется весы, или баланс, Киббла в честь Брайана Киббла, сотрудника Национальной физической лаборатории Великобритании, разработавшего их конструкцию ещё в 1975 году. Это похожее на весы устройство определяет, какой ток нужен для того, чтобы создать электромагнитное поле, способное уравновесить чашу с тестируемым грузом. Ранее этот прибор называли ватт-балансом, поскольку измеряемая масса пропорциональна произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. По сути, это усовершенствованный прибор для измерения тока, ампер-баланс, изобретённый ещё в XIX веке Уильямом Томсоном (лордом Кельвином).
Весы Киббла из Национального института стандартов и технологий США. Всё устройство имеет высоту около 2,5 метра и во время измерений закрыто металлическим корпусом, внутри которого поддерживается вакуум. Фото: J. L. Lee / NIST
Весы Киббла устроены следующим образом: поддон для взвешиваемого груза жёстко скреплён с катушкой, которая находится в магнитном поле постоянного магнита. Эта система способна перемещаться по вертикали. После установки на поддон груза (m), который необходимо взвесить, по катушке пропускают ток (I), добиваясь, чтобы сила отталкивания (сила Ампера), действующая между катушкой и постоянным магнитом, уравновесила силу тяжести. Значение силы тока фиксируется.
В весах Киббла четвёртого поколения, работающих в настоящее время в Национальном институте стандартов и технологий (NIST, США), катушка с проволокой имеет массу 4 кг и диаметр 43 см. Для неё требуется около 1,4 км проволоки. Система постоянных магнитов из сплава самария и кобальта имеет массу 1000 кг и создаёт магнитное поле B = 0,55 тесла, что примерно в 10 000 раз больше магнитного поля Земли. Катушка и магниты расположены внутри железного корпуса и полностью экранированы от внешних магнитных полей.
Упрощённо условие равновесия имеет вид mg = IBL, где L — длина провода в катушке. Казалось бы, задача решена и можно найти массу. Однако на практике величину BL чрезвычайно трудно измерить с необходимой точностью из-за неоднородности поля магнита и многослойности намотки катушки. Собственно, Брайан Киббл и придумал, как обойти эту сложность.
Ещё в XIX веке Майкл Фарадей обнаружил, что в проводнике индуцируется напряжение (U), когда он движется в магнитном поле, причём это напряжение пропорционально напряжённости поля (B) и скорости проводника (v): U = vBL. Это явление и позволяет найти BL = U/v. Тогда получаем
Основные элементы весов Киббла: 1 — поддон со взвешиваемым грузом; 2 — катушка, по которой протекает ток; 3 — постоянный магнит; 4 — конец троса, ведущий к двигателю, который может перемещать поддон и катушку по вертикали. Красными стрелками показаны уравновешенные силы тяжести и магнитного отталкивания. Рисунок: Suplee / NIST
Осталось измерить U и v. Для этого Киббл разместил на установке большое колесо, по одну сторону которого располагаются поддон и катушка, а по другую — двигатель, который может поднимать катушку с постоянной скоростью с помощью троса.
На втором этапе взвешивания, получившем название калибровки, груз с поддона убирается, катушка перемещается через окружающее поле с тщательно контролируемой постоянной скоростью, а индуцированное напряжение измеряется. После чего определяется масса.
Определение постоянной Планка
Любопытно, что до этого весы Киббла использовались для нахождения с высокой точностью постоянной Планка. Совершенно очевидно, что если в качестве груза разместить на весах эталон массы, то по тем же формулам можно рассчитать постоянную Планка h.
Но это не единственный метод. Другой способ нахождения с высокой точностью постоянной Планка разработан в Национальном метрологическом институте Германии. Там из изотопа кремния 28 Si, добытого в России, вырастили монокристаллы, а из них в Австралии создали практически идеально гладкие сферы — эталоны килограмма. При диаметре около 93,75 миллиметра шероховатость их поверхности не превышает 0,3 нанометра. Если эту сферу увеличить до размера Земли, то неровность поверхности не превысит 20 мм. Выбор пал на кремний из-за наличия развитой полупроводниковой промышленности, способной выращивать большие монокристаллы. Масса примесей в такой сфере не превышает десятимиллионную долю грамма. Очень точно измерив параметры кристаллической решётки кремния и полагая сферу идеально сферичной, физики могут рассчитать количество атомов в ней. Исходя из этого можно вычислить число Авогадро и постоянную Планка.
Было даже сделано предложение заменить платиново-иридиевый эталон на кремниевую сферу. Но это предложение не было принято.
Читайте также: