Na novembrovom 26. zasadaní Generálnej konferencie pre váhy a miery (CGPM) Medzinárodného úradu pre váhy a miery (BIPM) sa rozhodlo, že valec zo zliatiny platiny a irídia, medzinárodný prototyp kilogramu, ktorý je uložený v trezore v Sèvres pri Paríži a prezýva sa Veľký K (Le Grand K), už nebude etalónom kilogramu. Od 20. mája 2019 sa základná jednotka hmotnosti bude odvodzovať od pevnej hodnoty Planckovej konštanty. O dôvodoch tejto významnej zmeny sme sa rozprávali s vedúcim oddelenia hmotnosti a geometrických veličín Slovenského metrologického ústavu Ing. Dušanom Trochtom.
Prečo po toľkých rokoch dochádza k predefinovaniu základnej jednotky sústavy SI kilogramu?
Predovšetkým treba povedať, že doteraz platná definícia, ktorá určovala jeho presnú hodnotu, bola určená dohodou a ide o poslednú zhmotnenú mieru reprezentovanú artefaktom. Inak povedané – takto zadefinovaná veličina sa nedá s ničím porovnať. Od Veľkého K sa odvodili ďalšie kópie, no s pribúdajúcim časom sa ich hodnoty začali rozchádzať – jeden pribral na hmotnosti, iný zasa schudol. Medzinárodný prototyp kilogramu schudol, dlhodobé merania vo všeobecnosti potvrdili nárast hmotnosti jeho kópií, relatívna zmena hmotnosti predstavuje asi hmotnosť zrnka prachu. Vo všetkých prípadoch síce ide o veľmi malú hodnotu, bavíme sa o mikrogramoch, ale v konečnom dôsledku sa už nedá hovoriť o doteraz zadefinovanom kilograme ako o pevnom čísle.
Ako je možné, že parížsky etalón či národné etalóny menia svoju hmotnosť? Nie sú vo vákuu?
Každý materiál má nejaké adsorpčné vlastnosti, a tak vplyvom zmeny atmosféry sa menia aj vlastnosti etalónov. Tie totiž nie sú stále len vo vákuu, používajú sa aj bežne na vzduchu, čo postupne vedie aj k zmenám ich povrchu a následne aj hmotnosti. Skutočné príčiny týchto zmien však nie sú presne známe.
Takže pracovanie materiálu, z ktorého sú vyrobené etalóny, je dôvodom predefinovania?
Hlavný dôvod spočíva v tom, aby sa kilogram zadefinoval tak, aby bol naviazaný na nejaký fyzikálny zákon. Myšlienka bola, aby sa vychádzalo zo základných, pevne definovaných a nemenných fyzikálnych konštánt, čo znamená, že platia univerzálne a univerzálne sa dajú prerátať. Od mája 2019 tak bude celá sústava SI jednotiek definovaná na základe fyzikálnych konštánt. Jednoznačná definícia kilogramu je dôležitá aj preto, lebo sa od neho odvodzuje mnoho ďalších fyzikálnych jednotiek.
Mnohé fyzikálne konštanty však nie sú presne vyčíslené, od istého desatinného miesta majú buď periodické opakovanie, alebo idú až do nekonečna.
Všetko, čo meriame, meriame s určitou neistotou, no to hovoríme v tomto prípade o relatívnej neistote 1,0·10-8. V prípade kilogramu sa vychádza z Planckovej konštanty. Jej hodnota bola stanovená na 6,626 070 015 10-34 J s (joule-sekunda).
Planckova konštanta vyjadruje vzťah energie fotónu k jeho kmitočtu. Ako táto konštanta súvisí s hmotnosťou?
V rozmere jednotky joule je skrytý kilogram. Joule vyjadrený v SI jednotkách je kg m2 s-2.
Je prípustné definovať definovaným?
Na definovanie kilogramu sa okrem Planckovej konštanty využila aj Avogadrova konštanta. Tieto dva od seba nezávislé prístupy sa použili na stanovenie hodnôt týchto konštánt.
Nová definícia kilogramu
Kilogram (kg) je SI jednotka hmotnosti definovaná na základe pevne stanovenej číselnej hodnoty Planckovej konštanty h, ktorá je 6,626 070 15·10–34, vyjadrená v jednotke J s, ktorá je rovná kg m2 s–1, kde meter a sekunda sú definované na základe c a ΔνCs
Aj keď medzi nimi existuje vzťah, možno výsledky týchto nezávislých experimentov porovnávať. Na základe ôsmich zhodných výsledkov z experimentov vykonaných oboma metódami boli stanovené hodnoty oboch konštánt.
V čom spočíva metóda s Avogadrovou konštantou?
Súčasné technické možnosti umožňujú v centrifúge očistiť kremík len na jeden izotop a ten má pevnú kryštalickú mriežku. Následným technologickým postupom sa vytvorí monokryštál z čistého izotopu. Zjednodušene povedané, z neho sa dá vytvoriť dokonalá guľa. Na základe Avogadrovej konštanty možno vypočítať, koľko atómov sa nachádza v kremíkovej guli, a teda vypočítať jej hmotnosť.
Môžeme teda hovoriť o akejsi skúške správnosti?
V princípe áno. Avogadrova konštanta a Planckova konštanta sú vo vzájomnej fyzikálnej súvislosti a v redefinícii kilogramu sa vychádza z Planckovej konštanty. Dve rôzne realizácie kilogramu tak majú spoločný styčný bod pre realizáciu skúšky správnosti, a to stanovenie Planckovej konštanty.
To sme v teoretickej rovine. Ako je to s technickou realizáciou?
Pri metóde stanovenia kilogramu Planckovou konštantou sa používajú tzv. Kibblove váhy vyvažujúce tiaž meraného telesa silou vytváranou elektromagnetickým poľom. Energia elektromagnetického poľa je vytváraná súčinom napätia a prúdu, určených Josephsonovým javom a kvantovým Hallovým javom, objaveným von Klitzingom. Tieto javy sú popísané rovnicami, ktoré v sebe obsahujú Planckovu konštantu. Druhá cesta určenia hmotnosti vychádza z realizácie spresňovania Avogadrovej konštanty. V súčasnosti je modernou metódou určenia Avogadrovej konštanty metóda XRCD, z anglického X-ray crystal density method. Dosiahnutá presnosť stanovenia Avogadrovej konštanty sa ukázala ako veľmi vysoká. Z nameraných výsledkov bolo možné stanoviť výpočtom Planckovu konštantu v zhode so stanovením Planckovej konštanty pomocou Kibblových váh. Preto sa realizoval aj projekt na definíciu kilogramu cestou realizácie tzv. guľou z 28Si izotopu kremíka.
Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.
Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
Na rozhovore sa zúčastnili aj:
Ing. Laurenc Snopko, zodpovedný za národný etalón hmotnosti
RNDr. Roman Fíra, PhD., zodpovedný za národný etalón dĺžky
Ing. Štefan Gašparík, vedúci oddelenia elektriny a času
