Сколько весит килограмм?

После новогодних каникул многие жалуются на прибавку в весе. Оказывается, те же самые проблемы есть даже у эталона килограмма.

Согласно данным профессора Питера Кампсона и доктора Наоко Сано из университета Ньюкасла, опубликованным в журнале Metrology (Метрология), эталон килограмма прибавляет в среднем около 50 микрограмм за сто лет, что в итоге может существенно отразиться на очень многих физических величинах.

Самый главный килограмм представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм, состоящий из сплава платины и иридия (90% платины и 10% иридия). Он был отлит в 1889 году и хранится в сейфе в Международном бюро мер и весов в городе Севр вблизи Парижа. Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра)чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

С эталона килограмма первоначально было сделано 40 точных копий, которые разошлись по всему миру. Две из них находятся в России, в ВНИИ метрологии им. Менделеева. Позднее была отлита еще одна серия реплик. Платина в качестве основного материала для эталона была выбрана потому, что отличается высокой устойчивостью к окислению, высокой плотностью и низкой магнитной восприимчивостью. Эталон и его реплики используются для стандартизации массы в самых разных отраслях. В том числе и там, где микрограммы имеют существенное значение.

Килограмм – единственная единица СИ, которая до сих пор определяется с помощью эталона . Все остальные меры (метр, секунда, градус, ампер и т. д.) могут быть определены с необходимой точностью в физической лаборатории. Килограмм входит в определение других величин, например, единица измерения силы – ньютон, которая определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. От величины ньютона зависят другие физические величины, так что в итоге цепочка может привести к изменению значения многих физических единиц.

Физики считают, что колебания массы эталона стали результатом атмосферных загрязнений и изменения химического состава в поверхности цилиндров. Несмотря на то, что эталон и его реплики хранятся в специальных условиях (см. фото), это не спасает металл от взаимодействия с окружающей средой. Точный вес килограмма установили с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Оказалось, что килограмм «поправился» на почти что 100 мкг.

Вместе с тем, копии эталона с самого начала отличались от оригинала и их вес изменяется также по-разному. Так, главный американский килограмм изначально весил на 39 микрограмм меньше эталона, а проверка в 1948 году показала, что он увеличился на 20 мкг. Другая американская копия напротив, теряет в весе. В 1889 году килограмм под номером 4 (К4) был на 75 мкг меньше эталона, а в 1989 уже на 106.

Согласно правилам, эталоны нежелательно подвергать механическому трению, а с учетом того, что разные реплики изначально несколько отличались по массе, оценить влияние очистки довольно сложно. Чтобы максимально стандартизировать процедуру, физики разработали щадящий способ очистки поверхности с использованием УФ-облучения. Пока что опыты проводились только на платиновой и золотой фольге, загрязненной машинным маслом. Для удаления грязи поверхность промывается метиловым спиртом, затем чистой водой, а затем наступает черед газовой очистки с использованием озона и ультрафиолетового облучения. Похожие технологии используются для очистки поверхностей полупроводников.

Оказалось, что такая очистка не повреждает платиновую и золотую поверхности. Было отмечено незначительное образование оксидов на поверхности, но на весе образцов это не сказалось, так как соединения постепенно распадались на металл и газообразный кислород.

Другое решение проблемы лишнего веса для эталонного килограмма предложили участники 24-й Генеральной конференции по мерам и весам, которая состоялась в 2011 году. Идея состоит в том, чтобы определить его вес по отношению к массе атома кремния или через постоянную Планка. В частности, предполагается, что СИ станет системой единиц, в которой значение постоянной Планка h будет зафиксировано и равно 6,626 06X•10^-34 Дж•c (здесь Х – заменяет одну или более значащих цифр, которые еще предстоит определить). Результатом этого должна явиться отмена ныне действующего определения килограмма и принятие нового.

Если кремний выдержит серию испытаний, которые подтвердят, что он пригоден для использования в качестве эталона, то уже в 2014 году может появиться новый идеальный килограмм.

На фото: Эталон килограмма из Международного бюро мер и весов (wikipedia.org).