SAV
Dnes môžeme hovoriť doslova o revolúcii v oblasti metrológie. Až štyri zo siedmich základných jednotiek sústavy SI – kilogram, ampér, kelvin a mol sú nanovo zadefinované principiálne odlišným spôsobom, ako to bolo doteraz.
V čom spočíva táto zmena?
Táto zmena spočíva v dokončení premeny definícií jednotiek opierajúcich sa o materializovanú podobu etalónov na nové definície jednotiek opierajúcich sa o samotné fyzikálne fundamenty, reprezentované základnými fyzikálnymi konštantami. V novo definovanej SI sústave jednotiek platnej od 20.mája 2019 je fixne definovaných sedem fyzikálnych konštánt, ktorých hodnoty sa deklarujú ako presné čísla, ktoré sa už ďalej nebudú meniť a spresňovať (majú nulovú neistotu). Od týchto siedmych fyzikálnych konštánt sú potom odvodené definície siedmich základných jednotiek sústavy SI.Sú to tieto konštanty
- ΔνCs frekvencia hyperjemného prechodu atómu Cézia 133Cs: 9 192 631 770 Hz
- c rýchlosť svetla vo vákuu: 299 792 458 m.s−1
- h Planckova konštanta: 6,62607015 × 10−34 J.s (kg.m2.s−1)
- e elementárny náboj: 1,602176634 . 10−19 C
- k Boltzmannova konštanta: 1,380649 .10−23 J. K−1
- NA Avogadrova konštanta: 6,02214076 . 1023 mol−1
- Kcd svetelná účinnosť monochromatického žiarenia frekvencie 540.1012 Hz: 683 lm. W−1
Aké dôvody stoja v pozadí týchto zmien?
Dôvodom týchto zmien je zámer úplne vylúčiť z definícií základných jednotiek SI fyzické etalóny, ktoré môžu z dlhodobého hľadiska podliehať zmenám, a sú to tiež požiadavky z oblasti najmodernejších technológií a priemyslu na zvýšenie presnosti a rozsahu meraní, napr. v nanotechnológiách, mikroelektronike, presnom strojárstve, kozmickom a leteckom priemysle, chémii a v mnohých ďalších oblastiach ľudskej činnosti. Pozrime sa teraz na jednotlivé jednotky, ktorých definície sa menia od 20. mája 2019.Kilogram
Kilogram je základnou SI jednotkou hmotnosti. Doteraz bol kilogram definovaný tak, že je to hmotnosť medzinárodného prototypu kilogramu. Tento etalón je uložený v Medzinárodnom úrade pre váhy a miery v Sèvres vo Francúzsku a je zhotovený ako valec zo zliatiny platiny a irídia v pomere 9:1. Táto definícia kilogramu je ľahko pochopiteľná aj pre ľudí bez fyzikálneho vzdelania, prežila už viac ako sto rokov, no vzhľadom na potencionálne fluktuácie hmotnosti prototypu kilogramu dnes už nevyhovuje potrebám modernej metrológie a priemyslu. Nová definícia kilogramu je nasledovná [1]:- Kilogram, symbol kg, je SI jednotkou hmotnosti. Je definovaný tak, že numerická hodnota Planckovej konštanty h je presne 6,62607015.10−34, keď je vyjadrená v jednotke J.s, ktorá sa rovná kg.m2.s−1, kde meter a sekunda sú definované pomocou c a ΔνCs.
Ako realizovať kilogram v súlade s novou definíciou
V súčasnosti sú v zásade dve dostatočne presné metódy použiteľné na realizáciu jednotky kilogram v súlade s novou definíciou. Jedna metóda zahŕňa počítanie atómov v čistej kremíkovej guli 28Si, ktorá váži rovnakú hodnotu ako referenčný kilogram. Toto môže byť použité na výpočet hodnoty Avogadrovej konštanty, ktorá môže byť ďalej transformovaná na hodnotu Planckovej konštanty. Druhá metóda využíva prístroj známy ako Kibbleho váha na získanie hodnoty Planckovej konštanty porovnaním gravitačnej sily na skúšobnej hmotnosti s elektromagnetickou silou na cievke pretekanej prúdom v magnetickom poli (s využitím Josephsonovho a Hallovho kvantového javu). V posledných rokoch sa výsledky oboch týchto metód navzájom výborne zhodujú a sú dostatočne presné na to, aby spĺňali požiadavky kladené na nové definovanie kilogramu. Po pochopení tejto novej filozofie použitej pri zadefinovaní základnej jednotky SI kilogram by už nemal byť problém pochopiť aj nové definície ďalších troch nanovo definovaných jednotiek: ampér, kelvin a mol.Ampér
- Ampér, symbol A, je SI jednotkou elektrického prúdu. Je definovaný tak, že numerická hodnota elementárneho náboja e je presne 1,602176634 . 10−19 , keď je vyjadrená v jednotke C, ktorá sa rovná A.s, kde sekunda je definovaná pomocou ΔνCs.
Kelvin
- Kelvin, symbol K, je SI jednotkou termodynamickej teploty. Je definovaný tak, že numerická hodnota Boltzmannovej konštanty k je presne 1,380649 .10−23, keď je vyjadrená v jednotke J. K−1, ktorá sa rovná kg.m2.s–2.K–1, kde kilogram, meter a sekunda sú definované pomocou h, c a ΔνCs.
Mol
- Mól, symbol mol, je SI jednotkou látkového množstva. Jeden mól obsahuje presne 6,02214076 . 1023 elementárnych entít. Toto číslo je fixovanou numerickou hodnotou Avogadrovej konštanty NA, keď je vyjadrená v jednotke mol–1 a nazýva sa Avogadrovo číslo. Látkové množstvo, symbol n, systému je mierou počtu špecifikovaných elementárnych entít. Týmito entitami môžu byť atómy, molekuly, ióny, elektróny, rôzne iné častice, alebo špecifikované skupiny častíc.