Сообщение об эталоне длины

Обновлено: 18.05.2024

Человек живёт во времени и пространстве, и уже в глубокой древности появилась необходимость измерять время и длину — характеристику пространства. Измерить — значит сравнить измеряемую величину с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения. Эта единица должна быть чётко определённой и неизменной величиной — эталоном. Созданием эталонов занимается наука, именуемая метрологией. За эталон времени принята секунда, за эталон длины — метр. Но вот как их определить? Скажем, секунда — это промежуток времени, в течение которого. что? Метр — это расстояние, равное. чему? Эти вопросы отнюдь не просты. Посмотрим, как отвечает на них современная метрология.

Время

Так как истинные солнечные сутки не остаются одинаковыми в течение года, то в повседневной жизни за основную единицу времени принимают средние солнечные сутки, рассчитанные в предположении равномерного движения Земли по орбите. Время в таких сутках называют средним временем. Понятно, что его значение меняется с изменением географической долготы места: когда в Москве 12 часов дня, то, скажем, в Красноярске уже 16 часов, то есть возникает понятие местного времени. Местное среднее время на Гринвичском меридиане называют всемирным временем и обозначают UT (Universal Time). Это всемирное время положено в основу создания нескольких астрономических шкал времени.

Прежде всего заметим, что, хотя UT — среднее солнечное время, то есть определено из условия равномерного движения Земли по орбите, на его основе трудно создать равномерную шкалу по той причине, что положение любого меридиана, и в частности Гринвичского, подвержено изменениям из-за вращения Земли. Происходит это потому, что Земля — не абсолютно твёрдое тело: массы в ней непрерывно перераспределяются, вследствие чего полюса Земли незначительно (до 10–15 м) меняют положение, вызывая смещение меридианов, их соединяющих.

Существует несколько модификаций шкал всемирного времени. Из наблюдений суточных движений звёзд получается всемирное время UT0, не образующее равномерной шкалы. Если учесть поправку за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения, получим более равномерную шкалу UT1. Если принять во внимание ещё и сезонные вариации угловой скорости вращения Земли, получим более равномерную шкалу UT2. Наконец, учёт действия приливных явлений даёт шкалу UT1R.

Неравномерность суточного вращения и орбитального движения Земли не позволяет создать строго равномерные шкалы времени. Поэтому была введена ещё одна шкала — эфемеридное время, названное позже динамическим временем. Под ним понимают аргумент в дифференциальных уравнениях движения тел Солнечной системы в гравитационном поле. Это равномерно текущее время используют при определении эфемерид (элементов кеплеровой орбиты) спутников.

Любое время измеряют при помощи часов. После того как Галилей создал теорию маятника, а Гюйгенс изобрёл вращающийся балансир, появились маятниковые часы. И вскоре лучшие из них позволили обнаружить систематическое замедление суточного вращения Земли, вызванное океаническими приливами.

После изобретения кварцевых часов, в которых роль колебаний маятника играют упругие колебания кварцевых пластинок под действием электрического напряжения (пьезоэффект), было установлено, что и при учёте регулярного замедления длительность суток всё же непостоянна — она может изменяться в обе стороны на тысячные и даже сотые доли секунды.

К середине XX века стало ясно, что точность лучших часов превзошла точность нашего природного эталона времени — суток. Возможности астрономических методов измерения времени оказались исчерпанными.

Принципиально новые и более точные методы измерения времени пришли из радиоспектроскопии и квантовой электроники.

Каждый атом или молекула избирательно поглощает или излучает не только свет, но и радиоволны определённой длины волны λ, или частоты f, которые характеризуются непревзойдённым постоянством. Это позволило создать квантовые стандарты частоты, а следовательно, и времени (вспомним, что частота — величина, обратная периоду, то есть времени одного колебания) и построить шкалу атомного времени AT, задаваемую конкретным атомным или молекулярным эталоном.

Шкала АТ практически совершенно равномерна. В ней единицей измерения служит атомная секунда — промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 ( 133 Cs). Другими словами, за атомную секунду совершается число периодов колебаний цезиевого генератора, равное его частоте, составляющей 9 192 631 770 Гц (~ 9,2 Ггц). Стабильность этой частоты очень высока (то есть относительная нестабильность Δf/f, где Δf — уход частоты, очень мала). Кроме цезиевого в качестве стандартов частоты используют также рубидиевый и водородный генераторы (последний наиболее стабилен, см. таблицу).

Существует Международное атомное время ТАI (от французского названия Temps Atomic International). Оно устанавливается на основе показаний атомных часов в различных метрологических учреждениях в соответствии с приведённым выше определением атомной секунды.

Так как шкалы AT и UT не согласуются между собой, введена промежуточная шкала, называемая всемирным координированным временем UTС (Universal Time Coordinated). Это атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты.

Приведённое выше определение атомной секунды принято международными организациями в 1967 году, и в том же году на основе этого определения в СССР был создан новый Государственный эталон времени и частоты. Современный его вариант включает в себя цезиевый и водородный генераторы и обеспечивает хранение и воспроизведение секунды и герца с погрешностью, близкой к 1·10 -14 .

Длина

С развитием точных методов интерферометрических измерений появилась идея выразить метр в длинах световых волн, и в 1927 году VII Генеральная конференция по мерам и весам постановила: 1 метр равен 1 553 164,13 длины волны красной линии кадмия при определённых условиях (температуре, давлении и пр.) К 30-м годам ХХ века точность интерферометрических измерений превысила ширину штрихов на эталоне метра и его копиях. И в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: он стал равен 1 650 763,73 длины волны излучения в вакууме, соответствующей оранжевой линии спектра изотопа криптона с атомным весом 86 ( 86 Kr). Поскольку эта линия намного более узкая, чем у кадмия (чему, в частности, способствует то, что криптоновую лампу помещают в криостат с жидкой углекислотой), новое определение метра повысило точность эталона длины примерно в 100 раз.

Однако она в относительной мере была на четыре порядка ниже точности, достигнутой в эталонах времени. Это, в частности, ограничивало точность измерения скорости света. Действительно, она определялась путём измерения времени распространения света на базисе известной длины. Но если время можно было измерить с погрешностью порядка 10 –12 –10 –13 , то точность измерения длины базиса лимитировала точность криптонового эталона длины.

Это определение полностью отменяет криптоновый эталон длины и вообще делает метр не зависящим ни от какого источника света. Но зато придаёт ему зависимость от размера секунды, а значит, и герца — единицы частоты. Так впервые была установлена связь между длиной, временем и частотой. Эта связь привела к идее о создании единого эталона времени — частоты — длины (ВЧД), основанного на соотношении λ = с/ν, где λ — длина волны излучения стабилизированного лазера, ν — его частота. Плодотворность этой идеи в том, что частоту можно измерить с погрешностью, обеспеченной современным эталоном частоты (скажем, 10 -13 и менее). А так как значение с фиксировано, то и значение λ будет определено с той же погрешностью, что по крайней мере на четыре порядка точнее, чем при использовании прежнего криптонового эталона длины.

Однако эталон частоты, задающий атомную секунду, — цезиевый генератор, частота которого fэт = 9 192 631 770 Гц лежит в радиодиапазоне. И чтобы измерить частоту лазера ν сравнением с эталонной частотой, надо осуществить переход эталонной частоты в оптический диапазон, то есть умножить её до оптических значений. Однако эталонная частота имеет нецелочисленную величину и неудобна для преобразований. Поэтому обычно вместо цезиевого генератора используют более низкочастотный кварцевый генератор с удобным значением частоты, например 5 Мгц. Но такой генератор имеет гораздо меньшую стабильность частоты и сам по себе служить эталоном не может. Необходимо стабилизировать его частоту по цезиевому стандарту, придав ему такую же стабильность.

Это осуществляется при помощи схемы фазовой автоподстройки частоты. Низкая частота кварцевого генератора fкв увеличивается радиотехническими средствами в некоторое число (n) раз и в смесителе вычитается из частоты цезиевого эталона fэт. Подбором конкретных значений n и fкв разностную частоту (fэтnfкв) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: (fэтnfкв) = fкв.

Сигнал разностной частоты (fэтnfкв) после усиления поступает на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаётся сигнал частоты fкв от кварцевого генератора. На выходе фазового детектора возникает напряжение, величина и знак которого зависят от отклонения разностной частоты от частоты fкв. Это напряжение поступает на блок управления частотой кварцевого генератора, сдвигая её до тех пор, пока она не станет точно равной разностной частоте. Другими словами, любая расстройка частот (fэтnfкв) и fкв вызывает появление управляющего сигнала, сводящего эту расстройку к нулю, благодаря чему частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной и её стабильность оказывается практически равной стабильности цезиевого эталона. Теперь можно осуществлять передачу этой частоты в оптический диапазон.

Для этой цели используется радиооптический частотный мост (РОЧМ), в котором при помощи многозвенной цепочки различных СВЧ-генераторов и промежуточных лазеров субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов выполняется последовательное умножение эталонной частоты 5 МГц до значений 10 14 Гц. Так создаются эталоны частоты в оптическом диапазоне — оптические стандарты частоты. В качестве таких стандартов утверждены пять стабилизированных газовых лазеров.

Следовательно, эталон длины, воспроизводящий метр в его новом определении, реализуется при помощи атомного (цезиевого) эталона времени и частоты, дополненного РОЧМ. Этот комплекс и представляет собой единый эталон ВЧД. При этом характерно, что размеры всех единиц — единицы времени (секунды), частоты (герца) и длины (метра) — задаются всего двумя природными константами: резонансной частотой перехода в атоме цезия-133 и скоростью света в вакууме.

Едва появившись на свет, человек становится объектом измерений. Людям важно знать вес, рост и температуру каждого нового члена общества. В последствии человек сам учится измерять, сравнивать и делить. Весы, линейки, термометры, часы и счетчики - неотъемлемые атрибуты нашей жизни. Как только появились быстрые средства коммуникации: транспортные, информационные, радио и т.д., вот это-то и потребовало жесткой увязки временной. И поэтому сейчас если представить себе, что вдруг по той или иной причине застопорится, остановится, то это кризис цивилизации.

Без единых стандартов не возможен порядок. Без точных измерений не возможен прогресс. Метрология - главное поле битвы за технологии будущего.

В начале 20 века инженеру Генри Лиланду - создатель Кадиллака пришла в голову невероятная идея. Изобретатель тут же решил подтвердить свое открытие экспериментом. Он разобрал 3 Кадиллака до мельчайших деталей и перемешал их с другими компонентами, а затем собрал автомобили снова, доказав, что детали могут быть взаимозаменяемыми. Их не нужно производить для каждого автомобиля отдельно, как раньше, если у каждой будет точный размер. История знает много случаев, когда размер имеет значение. В начале прошлого века полностью сгорел город Чикаго, хотя вблизи текла река Чикаго. Но пожар не смогли потушить, потому что пожарные шланги были изготовлены без соблюдения размеров, и они друг с другом просто не соединялись. В транспорте точность размеров - это, прежде всего, безопасность. Если фрагмент обшивки авиалайнера сместится при сборке всего на сотую долю миллиметра, трагедии не избежать. Как добиться того, чтобы этот миллиметр был точно определен, чтобы все этапы производства использовали единые меры измерений?

В каждой стране на определенном этапе были созданы меры длины , массы, которые хранились в специальных учреждениях, либо в правительственных учреждениях, которые считались образцами. Вот английский ярд. По легенде Ярд - это расстояние от кончика носа до конца вытянутой руки короля Генриха Первого. А что будет, если вдруг этот ярд по каким-то причинам утратится? Стало понятно, что пользоваться эталонными мерами, которые были созданы от каких-то произвольных вещей, это не удобно. О необходимости международных единиц измерения говорили ученые разных стран. Но впервые единую меру длины предложили французы. За стандарт приняли одну сорокамиллионную часть земного меридиана, проходящего через Париж. Изготовленный в 1889 году эталон назвали метром подлинным и окончательным.

Эталон метра представлял собой платиново-иридиевый стержень Х-образного сечения длинной 1020 мм. На нейтральной плоскости при 0° С было нанесено по 3 штриха с каждой стороны, расстояние между средними штрихами составляло 1 метр (рисунок 1.1). Эталоны были пронумерованы и сличены с Архивным метром. Наиболее близким к Архивному оказался прототип №6, он и был утвержден в качестве международного прототипа (в 1889 году). Таким образом эталон метра стал искусственным и представлял собой штриховую меру.


К эталону № 6 было добавлено еще 4 эталона-свидетеля и они были оставлены в Международном Бюро. Остальные эталоны были распределены по жребию между странами, подписавшими Конвенцию. России достались эталоны №11 и №28, причем №28 был ближе к международному прототипу , поэтому он стал национальным эталоном России.

Со временем оказалось, что французский метр далеко не подлинный, так как точность расчета меридиана не соответствует современным требованиям, да и само изготовление эталона тоже. Сегодня от этого определения осталось лишь первое слово - метр. Погрешность передачи единицы длины от эталона к измерительным средствам составляла 0,1-0,2 мкм, что, с развитием техники, становится явно недостаточно. Поэтому и уменьшение погрешности передачи и желание иметь естественный неразрушаемый эталон стимулировало совершенствование эталона метра. В 1983 году XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: 1 метр – это единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды. То есть обратная величина скорости света. Метр стал связан однозначно с интервалом времени. Фактически это означает, что метр перестал быть независимой величиной. Так все основные средства измерений оказались взаимосвязаны. Прежде чем определить метр, нужно договориться, что такое секунда. Прежде чем высчитать секунду, нужно точно знать скорость вращения Земли. Прежде чем сделать эталон килограмма, нужно понять, что такое кубический дециметр воды. Вообще в мире вся система мер - это вещь договорная. Человечество собралось и договорилось.




Утвердив меру в качестве эталона, ее нужно хранить как высшую государственную ценность. Например, эталон длины. Этот размер перенесется на все, что это предприятие выпускает. Ошибка в первичном размере приведет к пролонгированной ошибке на всей цепочке технологической, поскольку из отдельных деталей собираются узлы, из узлов собирается полная конструкция. Это умноженная многократно ошибка. Единые длины имеются в 89 странах мира, подписавших метрическую конвенцию. Стальные копии этих эталонов хранятся в региональных центрах метрологии. От них идеальные размеры передаются на заводы. Наконец каждый завод делает еще одну копию эталона - рабочие средства измерения.

Авиационные двигатели могут делать только 5 стран мира, потому что они очень точные по своим параметрам. А точность обеспечивается, в первую очередь, метрологическими измерениями.

Например, авиационный двигатель весит около 1,5 тонн. А точность, при которой изготавливаются отдельные элементы этого двигателя, достигает около микрона, это очень маленькая величина. Крошечный дефект может стать причиной поломки всего двигателя самолета. Поэтому поверхность каждой детали обрабатывается так, что в нее можно смотреться как в зеркало. Для сборки используется полмиллиона средств линейных измерений. Каждая деталь самолета аттестуется по сотням параметров: масса, плотность, время обтачивания, реакции материала на перепады температуры, шероховатость. Но главное в любом машиностроении - это размер.

Храниться меры длины должны законсервированными в специальном масле или чем-то таком, иначе просто начнется коррозия, ржавление и т.д. По этой же причине меры нельзя трогать руками, в противном случае останутся отпечатки, опять же мера начнет ржаветь и размер будет утерян. Эталоны размеров на производстве применяются настолько интенсивно, что за их износом следит особое бюро технического контроля. Раз в год все средства измерений проходят обязательную переаттестацию. Бруски металла только выглядят прочными, а на деле могут деформироваться сотней разных способов. Влажность в помещении, пыль, вибрация - все это влияет на точность размеров.

В настоящее время эталон не является физическим предметом и представляет собой установок. Состав эталона метра:

1. Источник первичного эталонного излучения – высокостабилизированный по частоте лазер (гелий-неоновый).

2. Эталонный интерферометр, применяемый для исследования источников первичного и вторичных эталонных измерений.

3. Эталонный интерферометр, применяемый для измерений длины штриховых и концевых мер (вторичных эталонов).

В качестве вторичных эталонов используются:

1. Платиновоиридиевые штриховые меры длины;

2. Интерференционные установки для абсолютных измерений длины в длинах волн эталонных излучений:

Минимальное деление обычной школьной линейки - миллиметр. Силовой микроскоп измеряет с точностью в одну тысячную миллиметра, лазерный интерферометр - с точность в одну стотысячную миллиметра. Ошибка измерений школьной линейкой полмиллиметра. Несомненно современные технологии требуют несравнимо более точных размеров. . Современная микроэлектроника оперирует с объектами размером с атом Сегодня длину определяют с точностью до 10 в минус 10 степени метра. (1 Нанометр = 10 -9 м. Так в метрологии возникает шкала сверхмалых величин. Микрометр - одна миллионная часть метра. Нанометр - одна миллиардная часть метра. Ангстрем - одна десятимиллиардная часть. Попробуем представить эти масштабы. Если 60 микрометров - средяя толщина человеческого волоса, то размеры керотиновых чешуек на поверхности волоса рассчитываются уже в нанометрах. Что касается ангстремов, в этих величинах определяется расстояние между аминокислотами молекул белка, входящих в состав твердой структуры волос. Нанометрология - область науки, где сливаются воедино достижения генной инженерии, медицины и точнейших линейных измерений.

Эталоны мер, их значение для развития общества

Метрология скачёк вбудущее

Едва появившись на свет, человек становится объектом измерений. Людям важно знать вес, рост и температуру каждого нового члена общества. В последствии человек сам учится измерять, сравнивать и делить. Весы, линейки, термометры, часы и счетчики - неотъемлемые атрибуты нашей жизни. Как только появились быстрые средства коммуникации: транспортные, информационные, радио и т.д., вот это-то и потребовало жесткой увязки временной. И поэтому сейчас если представить себе, что вдруг по той или иной причине застопорится, остановится, то это кризис цивилизации.

Без единых стандартов не возможен порядок. Без точных измерений не возможен прогресс. Метрология - главное поле битвы за технологии будущего.

В начале 20 века инженеру Генри Лиланду - создатель Кадиллака пришла в голову невероятная идея. Изобретатель тут же решил подтвердить свое открытие экспериментом. Он разобрал 3 Кадиллака до мельчайших деталей и перемешал их с другими компонентами, а затем собрал автомобили снова, доказав, что детали могут быть взаимозаменяемыми. Их не нужно производить для каждого автомобиля отдельно, как раньше, если у каждой будет точный размер. История знает много случаев, когда размер имеет значение. В начале прошлого века полностью сгорел город Чикаго, хотя вблизи текла река Чикаго. Но пожар не смогли потушить, потому что пожарные шланги были изготовлены без соблюдения размеров, и они друг с другом просто не соединялись. В транспорте точность размеров - это, прежде всего, безопасность. Если фрагмент обшивки авиалайнера сместится при сборке всего на сотую долю миллиметра, трагедии не избежать. Как добиться того, чтобы этот миллиметр был точно определен, чтобы все этапы производства использовали единые меры измерений?

В каждой стране на определенном этапе были созданы меры длины , массы, которые хранились в специальных учреждениях, либо в правительственных учреждениях, которые считались образцами. Вот английский ярд. По легенде Ярд - это расстояние от кончика носа до конца вытянутой руки короля Генриха Первого. А что будет, если вдруг этот ярд по каким-то причинам утратится? Стало понятно, что пользоваться эталонными мерами, которые были созданы от каких-то произвольных вещей, это не удобно. О необходимости международных единиц измерения говорили ученые разных стран. Но впервые единую меру длины предложили французы. За стандарт приняли одну сорокамиллионную часть земного меридиана, проходящего через Париж. Изготовленный в 1889 году эталон назвали метром подлинным и окончательным.

Эталон метра представлял собой платиново-иридиевый стержень Х-образного сечения длинной 1020 мм. На нейтральной плоскости при 0° С было нанесено по 3 штриха с каждой стороны, расстояние между средними штрихами составляло 1 метр (рисунок 1.1). Эталоны были пронумерованы и сличены с Архивным метром. Наиболее близким к Архивному оказался прототип №6, он и был утвержден в качестве международного прототипа (в 1889 году). Таким образом эталон метра стал искусственным и представлял собой штриховую меру.


К эталону № 6 было добавлено еще 4 эталона-свидетеля и они были оставлены в Международном Бюро. Остальные эталоны были распределены по жребию между странами, подписавшими Конвенцию. России достались эталоны №11 и №28, причем №28 был ближе к международному прототипу , поэтому он стал национальным эталоном России.

Со временем оказалось, что французский метр далеко не подлинный, так как точность расчета меридиана не соответствует современным требованиям, да и само изготовление эталона тоже. Сегодня от этого определения осталось лишь первое слово - метр. Погрешность передачи единицы длины от эталона к измерительным средствам составляла 0,1-0,2 мкм, что, с развитием техники, становится явно недостаточно. Поэтому и уменьшение погрешности передачи и желание иметь естественный неразрушаемый эталон стимулировало совершенствование эталона метра. В 1983 году XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра: 1 метр – это единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды. То есть обратная величина скорости света. Метр стал связан однозначно с интервалом времени. Фактически это означает, что метр перестал быть независимой величиной. Так все основные средства измерений оказались взаимосвязаны. Прежде чем определить метр, нужно договориться, что такое секунда. Прежде чем высчитать секунду, нужно точно знать скорость вращения Земли. Прежде чем сделать эталон килограмма, нужно понять, что такое кубический дециметр воды. Вообще в мире вся система мер - это вещь договорная. Человечество собралось и договорилось.

Утвердив меру в качестве эталона, ее нужно хранить как высшую государственную ценность. Например, эталон длины. Этот размер перенесется на все, что это предприятие выпускает. Ошибка в первичном размере приведет к пролонгированной ошибке на всей цепочке технологической, поскольку из отдельных деталей собираются узлы, из узлов собирается полная конструкция. Это умноженная многократно ошибка. Единые длины имеются в 89 странах мира, подписавших метрическую конвенцию. Стальные копии этих эталонов хранятся в региональных центрах метрологии. От них идеальные размеры передаются на заводы. Наконец каждый завод делает еще одну копию эталона - рабочие средства измерения.

Авиационные двигатели могут делать только 5 стран мира, потому что они очень точные по своим параметрам. А точность обеспечивается, в первую очередь, метрологическими измерениями.

Например, авиационный двигатель весит около 1,5 тонн. А точность, при которой изготавливаются отдельные элементы этого двигателя, достигает около микрона, это очень маленькая величина. Крошечный дефект может стать причиной поломки всего двигателя самолета. Поэтому поверхность каждой детали обрабатывается так, что в нее можно смотреться как в зеркало. Для сборки используется полмиллиона средств линейных измерений. Каждая деталь самолета аттестуется по сотням параметров: масса, плотность, время обтачивания, реакции материала на перепады температуры, шероховатость. Но главное в любом машиностроении - это размер.

Храниться меры длины должны законсервированными в специальном масле или чем-то таком, иначе просто начнется коррозия, ржавление и т.д. По этой же причине меры нельзя трогать руками, в противном случае останутся отпечатки, опять же мера начнет ржаветь и размер будет утерян. Эталоны размеров на производстве применяются настолько интенсивно, что за их износом следит особое бюро технического контроля. Раз в год все средства измерений проходят обязательную переаттестацию. Бруски металла только выглядят прочными, а на деле могут деформироваться сотней разных способов. Влажность в помещении, пыль, вибрация - все это влияет на точность размеров.

В настоящее время эталон не является физическим предметом и представляет собой установок. Состав эталона метра:

1. Источник первичного эталонного излучения – высокостабилизированный по частоте лазер (гелий-неоновый).

2. Эталонный интерферометр, применяемый для исследования источников первичного и вторичных эталонных измерений.

3. Эталонный интерферометр, применяемый для измерений длины штриховых и концевых мер (вторичных эталонов).

В качестве вторичных эталонов используются:

1. Платиновоиридиевые штриховые меры длины;

2. Интерференционные установки для абсолютных измерений длины в длинах волн эталонных излучений:

Минимальное деление обычной школьной линейки - миллиметр. Силовой микроскоп измеряет с точностью в одну тысячную миллиметра, лазерный интерферометр - с точность в одну стотысячную миллиметра. Ошибка измерений школьной линейкой полмиллиметра. Несомненно современные технологии требуют несравнимо более точных размеров. . Современная микроэлектроника оперирует с объектами размером с атом Сегодня длину определяют с точностью до 10 в минус 10 степени метра. (1 Нанометр = 10 -9 м. Так в метрологии возникает шкала сверхмалых величин. Микрометр - одна миллионная часть метра. Нанометр - одна миллиардная часть метра. Ангстрем - одна десятимиллиардная часть. Попробуем представить эти масштабы. Если 60 микрометров - средяя толщина человеческого волоса, то размеры керотиновых чешуек на поверхности волоса рассчитываются уже в нанометрах. Что касается ангстремов, в этих величинах определяется расстояние между аминокислотами молекул белка, входящих в состав твердой структуры волос. Нанометрология - область науки, где сливаются воедино достижения генной инженерии, медицины и точнейших линейных измерений.

Эталоны единицы длины

Эталоны единицы длины

Как известно, в 1791 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза.

Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Кроме того, примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем, пусть незначительно, изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции. Кстати, измерения 1964-1967 гг. показали, что в четверти меридиана содержится 10 001 954, 4 м, т.е. метр Архива короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 эталон метра платиноиридиевого стержня X-образного поперечного сечения.

Эталон №6 оказался при 0 ° С точно равным длине метра Архива и был принят в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были переданы различным странам. Экземпляры №11, №28 в 1889 г. были переданы России, при этом экземпляр №28 был утвержден в качестве государственного эталона (вначале факультативно).

Как следует из рассмотрения рис., эталон в виде линейки Х-образного сечения вписывается в квадрат 20 на 20 мм.


Длина линейки составляет 102 см. на каждый из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет + 1,1 . 10 -7 м. Уже в начале ХХ в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.

В 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое, уже упоминающиеся определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2P10 и 5d5 атома криптона-86.

Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа – изотопа криптона-86 (оранжевая линия). Принцип действия этого эталона заключается в следующем. В нормальном состоянии атомы не излучают свет и обладают некоторой минимальной энергией. Возбужденные атомы газов излучают линейный спектр, причем каждая линия этого спектра представляет монохроматическое излучение с определенной чистотой ν

где, E2 - энергия уровня, с которого совершается переход; E1 – энергия уровня, на которой совершается переход; h – постоянная Планка.

где, c – скорость света; Т – период колебаний

Поскольку длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, то она используется для измерения единицы длины – метра.

Спектральные линии излучения атомов криптона-86 выделяются с помощью монохроматоров (по существу – светофильтров), а длина волны измеряется с помощью интерферометров.

Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила 5 . 10 -9 . Но такая погрешность в век ракетно-космической технике для многих потребителей оказывается слишком большой, и учетные искали пути создания эталона длины на других принципах.

В продолжении статьи о старинных мерах длины хочется еще предложить интересную информацию о привычном всем метре.

Откуда он взялся, почему именно так называется, что заставило страны принять эту меру длины вместо привычных дюймов, миль, верст и так далее?

Википедия нам сообщает, что:

" Согласно действующему определению, метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1⁄299 792 458 секунды ".

Естественно, в момент создания единицы измерения такого определения быть не могло, ибо случилось это в далеком 1791 году. На тот момент длина метра определялась, как одна сорокамиллионная доля Парижского меридиана, или одна десятимиллионная длина дуги от Северного Полюса до экватора, проходящая через Париж.

По одному названию меридиана понятно, что мера единица была принята во Франции и было это в период Французской республики, крайне озабоченной принятием собственных "универсальных" стандартов. Первый прототип был изготовлен в 1795 году из латуни. Несколько прототипов (эталонов) были размещены в различных зданиях. На данный момент в первоначальном месте сохранился только один.

Мраморный эталон метра на стене здания №36 по улице Вожирар (Rue de Vaugirard), Париж, Франция. Доступ к эталону был открыт как минимум до начала 2019 года, о теперешнем положении дел информации нет

Мраморный эталон метра на стене здания №36 по улице Вожирар (Rue de Vaugirard), Париж, Франция. Доступ к эталону был открыт как минимум до начала 2019 года, о теперешнем положении дел информации нет

В 1799 году был изготовлен эталон из платины, в 1889 - из 90% платины и 10% иридия. Именно его фото (Х-образный профиль) представлено выше.

Метрическая, или французская система мер, активно распространялась во время правления Наполеона. К концу 19-го века старые, национальные, системы измерения оставались только в Великобритании и США, России, Османской Империи (Турции) и Китае (правда, речь только о крупных государствах, но компания интересная, согласитесь).

В 1960 году было решено, что эталоном для базовой единицы международной уже системы измерения (СИ) не может быть изделие человеческих рук. С 1960 по 1983 метр определялся, как:

" число 1 650 763,73, умноженное на длину волны оранжевой линии (6 056 Å ) спектра , излучаемого изотопом криптона 86Kr в вакууме ".

Ну а позже был достигнут большой прогресс в измерении скорости света, и было принято современное определение длины метра, процитированное в начале статьи.

С тех пор все физически существующие эталоны были упразднены и сохраняются скорее как исторические памятники и образцы для определения погрешности между идеальным измерением и реальным состоянием.

Из интересного: эталоны метра хранили на специальных роликах при температуре таяния льда!

С историей происхождения самого названия все понятно: это заимствование из греческого. Античность - основа всей европейской науки, что поделать! "Метрео" - измеряю, измерять - присутствует не только в названии популярнейшей современной единицы измерения, но и названиях таких наук как геометрия - "измеряю землю", метрология - наука о мерах и весах, а также в словах типа "барометр", "параметр" и так далее, то есть везде, где речь ведется об измерении чего-либо.

Ну а про слова, включающие "метр" и напрямую обозначающие длину, и говорить нечего.

Ну и последнее - о причинах перехода именно на метрическую систему. Конечно, завоевательные походы Наполеона сыграли свою роль. Но, думаю, дело не столько в них, сколько в назревшей - реально назревшей! - необходимости свести разрозненные единицы измерения в какую-то общую систему. Были и другие попытки, но именно метр оказался наиболее удобным. Хотя бы потому, что позволял перейти к десятичной системе счисления вместо двенадцатиричной (счет дюжинами) и тем самым основательно упростить любые вычисления.

Ну и напоследок перевод в метры популярных ранее (а кое-где и сейчас) единиц измерения.

Читайте также: