Protótipo Internacional do Quilograma

O Protótipo Internacional do Quilograma, também conhecido como Le Grand K ou Big K ou IPK, armazenado em um cofre em Paris, foi substituído por uma fórmula usando a constante de Planck em 2019. O IPK estava perdendo massa, então a comunidade de metrologia redefiniu o quilograma com a ajuda de a constante de Planck.

O Protótipo Internacional do Quilograma (referido pelos metrologistas como IPK ou Le Grand K ; às vezes chamado de ur-quilograma, [1] [2] ou urquilograma, [3] particularmente por autores de língua alemã que escrevem em inglês [3] [4] :30 [5] : 64  ) é um objeto que foi usado para definir a magnitude da massa do quilograma de 1889, quando substituiu o Kilogram des Archives , [6] até 2019, quando foi substituído por um nova definição do quilograma baseada emconstantes físicas . [7] Durante esse tempo, o IPK e suas duplicatas foram usadas para calibrar todos os outros padrões de massa de quilograma na Terra.

O IPK é um objeto do tamanho aproximado de uma bola de golfe feito de uma liga de platina conhecida como "Pt-10Ir", que é 90% platina e 10% irídio (em massa) e é usinado em um cilindro circular reto com altura igual ao seu diâmetro de cerca de 39 milímetros para reduzir sua área de superfície. [8] A adição de 10% de irídio melhorou o Kilogram des Archives totalmente de platina, aumentando consideravelmente a dureza , mantendo as muitas virtudes da platina: extrema resistência à oxidação , densidade extremamente alta (quase duas vezes mais densa que o chumbo e mais de 21 vezes mais denso como água ), condutividades elétrica e térmica satisfatórias e baixa suscetibilidade magnética .

Em 2018, o IPK sustentou as definições de 4 das 7 unidades básicas do SI : o quilograma em si, mais a toupeira , ampère e candela (cujas definições na época referenciavam o grama , newton e watt , respectivamente) [9] [10 ] [11] bem como as definições de todas as unidades derivadas do SI nomeadas , exceto hertz , becquerel , grau Celsius , gray , sievert , farad , ohm , siemens ,Henry e o adimensional radiano e esterradiano .

O IPK e suas seis cópias irmãs são armazenados no Bureau Internacional de Pesos e Medidas (conhecido por suas iniciais em francês BIPM) em um cofre monitorado ambientalmente no cofre inferior localizado no porão do Pavillon de Breteuil do BIPM em Saint-Cloud [Nota 1] nos arredores de Paris (ver imagens externas , abaixo, para fotografias). Três chaves controladas independentemente são necessárias para abrir o cofre. Cópias oficiais do IPK foram disponibilizadas para outras nações para servir como seus padrões nacionais. Estes foram comparados com o IPK aproximadamente a cada 40 anos, fornecendo assim a rastreabilidade das medições locais até o IPK. [12]

Criação

A Convenção do Metro foi assinada em 20 de maio de 1875 e formalizou ainda mais o sistema métrico (um predecessor do SI ), levando rapidamente à produção do IPK. O IPK é um dos três cilindros fabricados em Londres em 1879 por Johnson Matthey , que continuou a fabricar quase todos os protótipos nacionais conforme necessário até que a nova definição do quilograma entrou em vigor em 2020. [13] [14] Em 1883, a massa do IPK foi considerada indistinguível da do Kilogram des Archives feita oitenta e quatro anos antes, e foi formalmente ratificada como o quilograma pela 1ª CGPM em 1889. [8]

Cópias do IPK

O quilograma de protótipo nacional K20, um dos dois protótipos armazenados no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA em Gaithersburg, Maryland , que serve como padrão primário para definir todas as unidades de massa e peso nos Estados Unidos. Esta é uma réplica para exibição pública, mostrada como normalmente é armazenada, sob duas redomas de vidro.

O IPK e suas várias cópias recebem as seguintes designações na literatura:

Estabilidade do IPK

Antes de 2019, por definição, o erro no valor medido da massa do IPK era exatamente zero; a massa do IPK era o quilograma. No entanto, quaisquer mudanças na massa do IPK ao longo do tempo podem ser deduzidas comparando sua massa com a de suas cópias oficiais armazenadas em todo o mundo, um processo raramente realizado chamado "verificação periódica". As únicas três verificações ocorreram em 1889, 1948 e 1989. Por exemplo, os EUA possuem cinco padrões de quilograma de 90% platina / 10%  irídio (Pt-10Ir), dois dos quais, K4 e K20, são do lote original de 40 réplicas distribuídas em 1884. [Nota 4]O protótipo K20 foi designado como o principal padrão nacional de massa para os EUA. Ambos, assim como os de outras nações, são devolvidos periodicamente ao BIPM para verificação. Grande cuidado é exercido ao transportar protótipos. Em 1984, os protótipos K4 e K20 foram transportados de mão na seção de passageiros de aviões comerciais separados.

Observe que nenhuma das réplicas tem massa precisamente igual à do IPK; suas massas são calibradas e documentadas como valores de compensação. Por exemplo, K20, padrão primário dos EUA, originalmente tinha uma massa oficial de 1 kg − 39 μg (microgramas) em 1889; ou seja, K20 foi 39  μg menor que o IPK. Uma verificação realizada em 1948 mostrou uma massa de 1 kg − 19 μg. A última verificação realizada em 1989 mostra uma massa precisamente idêntica ao seu valor original de 1889. Muito diferente de variações transitórias como esta, o padrão de verificação dos EUA, K4, diminuiu persistentemente em massa em relação ao IPK - e por uma razão identificável: os padrões de verificação são usados ​​com muito mais frequência do que os padrões primários e são propensos a arranhões e outros desgastes. O K4 foi originalmente entregue com uma massa oficial de 1 kg - 75 μg em 1889, mas a partir de 1989 foi oficialmente calibrado em 1 kg - 106 μg e dez anos depois foi de 1 kg - 116 μg. Durante um período de 110 anos, K4 perdeu 41  μg em relação ao IPK. [26]

Desvio em massa ao longo do tempo dos protótipos nacionais K21–K40 , mais duas cópias irmãs do IPK: K32 e K8(41). [Nota 2] Todas as alterações em massa são relativas ao IPK. Os deslocamentos de valor inicial de 1889 relativos ao IPK foram anulados. [17] Todas as medidas acima são relativas ; nenhum dado histórico de medição de massa está disponível para determinar qual dos protótipos foi mais estável em relação a uma invariante da natureza. Existe a possibilidade distinta de que todos os protótipos ganharam massa ao longo de 100 anos e que K21, K35, K40 e o IPK simplesmente ganharam menos que os outros.

Além do simples desgaste que os padrões de verificação podem experimentar, a massa até mesmo dos protótipos nacionais cuidadosamente armazenados pode se desviar em relação ao IPK por vários motivos, alguns conhecidos e outros desconhecidos. Como o IPK e suas réplicas são armazenados no ar (embora sob duas ou mais redomas de vidro aninhadas ), eles ganham massa por adsorção de contaminação atmosférica em suas superfícies. Assim, eles são limpos em um processo que o BIPM desenvolveu entre 1939 e 1946 conhecido como "o método de limpeza BIPM" [27] que consiste em esfregar firmemente com uma camurça embebida em partes iguais de éter e etanol , seguida de limpeza a vapor com água bidestilada, e permitindo que os protótipos se estabeleçam por 7 a 10 dias antes da verificação. Antes do relatório publicado pelo BIPM em 1994, detalhando a mudança relativa na massa dos protótipos, diferentes organismos padrão usavam técnicas diferentes para limpar seus protótipos. A prática do NIST antes disso era embeber e enxaguar seus dois protótipos primeiro em benzeno , depois em etanol e depois limpá-los com um jato de vapor de água bidestilada. A limpeza dos protótipos remove entre 5 e 60  μg de contaminação, dependendo muito do tempo decorrido desde a última limpeza. Além disso, uma segunda limpeza pode remover até 10 μg mais. Após a limpeza - mesmo quando são armazenados em suas redomas - o IPK e suas réplicas imediatamente começam a ganhar massa novamente. O BIPM até desenvolveu um modelo desse ganho e concluiu que a média era de 1,11  μg por mês nos primeiros 3 meses após a limpeza e depois diminuía para uma média de cerca de 1  μg por ano a partir de então. Como os padrões de verificação como K4 não são limpos para calibrações de rotina de outros padrões de massa - uma precaução para minimizar o potencial de danos por desgaste e manuseio - o modelo do BIPM de ganho de massa dependente do tempo foi usado como um fator de correção "após a limpeza".

Como as primeiras quarenta cópias oficiais são feitas da mesma liga que o IPK e são armazenadas em condições semelhantes, verificações periódicas usando um grande número de réplicas - especialmente os padrões primários nacionais, que raramente são usados ​​- podem demonstrar de forma convincente a estabilidade do IPK . O que ficou claro após a terceira verificação periódica realizada entre 1988 e 1992 é que massas de todo o conjunto mundial de protótipos têm divergido lenta mas inexoravelmente umas das outras. Também está claro que o IPK perdeu talvez 50  μg de massa ao longo do último século, e possivelmente significativamente mais, em comparação com suas cópias oficiais. [17] [28]A razão dessa deriva iludiu os físicos que dedicaram suas carreiras à unidade de massa do SI. Nenhum mecanismo plausível foi proposto para explicar uma diminuição constante na massa do IPK ou um aumento na massa de suas réplicas espalhadas pelo mundo. [Nota 5] [29] [30] [31] Além disso, não há meios técnicos disponíveis para determinar se todo o conjunto mundial de protótipos sofre ou não de tendências ainda maiores de longo prazo para cima ou para baixo porque sua massa "relativa a um invariante da natureza é desconhecido em um nível abaixo de 1000  μg durante um período de 100 ou mesmo 50 anos". [28]Dada a falta de dados que identifiquem qual dos protótipos de quilograma do mundo tem sido o mais estável em termos absolutos, é igualmente válido afirmar que o primeiro lote de réplicas, como um grupo, ganhou uma média de cerca de 25 μg ao longo de cem anos  em comparação com o IPK. [Nota 6]

O que se sabe especificamente sobre o IPK é que ele exibe uma instabilidade de curto prazo de cerca de 30  μg durante um período de cerca de um mês em sua massa pós-limpa. [32] A razão exata para essa instabilidade de curto prazo não é compreendida, mas acredita-se que envolva efeitos de superfície: diferenças microscópicas entre as superfícies polidas dos protótipos, possivelmente agravadas pela absorção de hidrogênio devido à catálise dos compostos orgânicos voláteis que se depositam lentamente na superfície. protótipos, bem como os solventes à base de hidrocarbonetos usados ​​para limpá-los. [31] [33]

Tem sido possível descartar muitas explicações das divergências observadas nas massas dos protótipos do mundo propostos por cientistas e pelo público em geral. O FAQ do BIPM explica, por exemplo, que a divergência depende do tempo decorrido entre as medições e não depende do número de vezes que o protótipo ou suas cópias foram limpas ou possíveis mudanças na gravidade ou no ambiente. [34] Relatórios publicados em 2013 por Peter Cumpson, da Universidade de Newcastle, com base na espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de amostras que foram armazenadas ao lado de vários protótipos de quilogramas sugeriram que uma fonte da divergência entre os vários protótipos poderia ser atribuída ao mercúrio .que havia sido absorvido pelos protótipos na proximidade de instrumentos à base de mercúrio. O IPK foi armazenado a centímetros de um termômetro de mercúrio desde pelo menos o final da década de 1980. [35] Neste trabalho da Universidade de Newcastle, seis pesos de platina feitos no século XIX tinham mercúrio na superfície, o mais contaminado dos quais tinha o equivalente a 250 μg  de mercúrio quando dimensionado para a área de superfície de um protótipo de quilograma.

A crescente divergência nas massas dos protótipos do mundo e a instabilidade de curto prazo no IPK levaram à pesquisa de métodos aprimorados para obter um acabamento superficial liso usando torneamento de diamante em réplicas recém-fabricadas e foi uma das razões para a redefinição do quilograma. [36]

Outra explicação para a divergência atribui a mudança de peso ao ósmio na liga de platina e irídio, que reage com o oxigênio para formar tetróxido de ósmio que evapora ao longo de vários anos.

Dependência do SI no IPK

Até maio de 2019, a magnitude de muitas das unidades que compõem o sistema de medição SI, incluindo a maioria das usadas na medição de eletricidade e luz, dependia muito da estabilidade de um cilindro de metal do tamanho de uma bola de golfe da era vitoriana armazenado em um cofre na França.

A estabilidade do IPK foi crucial porque o quilograma sustentou grande parte do SI conforme definido e estruturado até 2019. A maioria das unidades do SI com nomes especiais são unidades derivadas , o que significa que são definidas simplesmente multiplicando ou dividindo ou, em um caso , compensando em relação a outro , mais básicas, unidades. Por exemplo, o newton é definido como a força necessária para acelerar um quilograma a um metro por segundo ao quadrado . Se a massa do IPK mudasse ligeiramente, o newton também mudaria proporcionalmente. Por sua vez, o pascal , a unidade SI de pressão , é definido em termos de newton. Essa cadeia de dependência segue muitas outras unidades de medida do SI. Por exemplo, ojoule , a unidade SI de energia , é definida como aquela gasta quando uma força de um newton atua através de um metro . A próxima a ser afetada é a unidade SI de potência , o watt , que é um joule por segundo.

  • N = kg m/s 2
  • Pa = N/m 2 = kg / ms
  • J = N m = kg m 2 /s 2
  • W = J/s = N m/s = kg m 2 /s 3

Além disso, antes da revisão, a unidade básica do SI de corrente elétrica , o ampere (A), era definida como a corrente necessária para produzir uma força entre 2 fios paralelos separados por 1 m de 0,2 μN por metro. Substituindo esses parâmetros na lei de força de Ampère , temos:

  • 2 k A A 2 / m = 0,2 μN / m

ou

  • A 2 = μN / 10 k A

Fazendo a magnitude do ampère proporcional à raiz quadrada do newton e, portanto, da massa do IPK.

A unidade básica de quantidade de substância , mol , foi definida antes da revisão como o número de átomos em 12 gramas de carbono 12 e a unidade básica de intensidade luminosa , candela , foi definida como 1/683 watts por esterradiano de 540 THz luz verde. Portanto, as magnitudes do mol e da candela eram proporcionais à massa do IPK.

Essas dependências se estendem a muitas unidades químicas , fotométricas e elétricas :

  • kat = mol/s
  • Uma réplica do protótipo do quilograma em exibição na Cité des Sciences et de l'Industrie em Paris , apresentando o sino protetor de vidro duplo.
    lm = cd sr
  • lx = lm/m 2 = cd sr/m 2
  • C = A s
  • V = W/A = J/C = J / A s = kg m 2 / A s 3
  • Wb = V s = J/A = kg m 2 / A s 2
  • T = Wb/m 2 = kg / A s 2

As unidades derivadas do SI cujos valores não eram suscetíveis a mudanças na massa do IPK eram quantidades adimensionais , derivadas inteiramente do segundo , metro ou kelvin , ou eram definidas como a razão de 2 quantidades, ambas relacionadas no mesma forma para a massa do IPK, por exemplo:

  • Ω = V/A = W/A / A = W / A 2 = N m/s / μN/10 k A = m/s /10 −6 /10 k A =10 7 k A m/s

Aqui, os newtons no numerador e no denominador se anulam exatamente ao calcular o valor do ohm. De forma similar:

  • F = C/V = A s / W/A = A 2 s 2 / J = μN s 2 / 10 k A N m =10 −7 s 2 / k A m
  • Gy = J/kg = kg m 2 /s 2 / kg = m 2 /s 2
  • S = 1/Ω =10 −7 s / k A m
  • H = Ω s =10 7 k A m

Como a magnitude de muitas das unidades que compõem o sistema de medição SI foi até 2019 definida por sua massa, a qualidade do IPK foi cuidadosamente protegida para preservar a integridade do sistema SI. No entanto, a massa média do conjunto mundial de protótipos e a massa do IPK provavelmente divergiram outros 8  μg desde a terceira verificação periódica34  anos atrás. [Nota 7] Além disso, os laboratórios nacionais de metrologia do mundo devem aguardar a quarta verificação periódica para confirmar se as tendências históricas  persistiram.

Efeitos isolantes de realizações práticas

Felizmente, as definições das unidades do SI são bem diferentes de suas realizações práticas . Por exemplo, o metro é definido como a distância que a luz percorre no vácuo durante um intervalo de tempo de 1299.792.458 de segundo. No entanto, a realização prática do medidor normalmente assume a forma de um laser de hélio-neônio, e o comprimento do medidor é delineado — não definido — como1 579 800 ,298 728 comprimentos de onda de luz deste laser. Agora suponha que a medida oficial do segundo tenha variado algumas partes por bilhão (na verdade é extremamente estável com uma reprodutibilidade de algumas partes em 10 15 ). [37] Não haveria efeito automático no metro porque o segundo – e, portanto, o comprimento do metro – é abstraído por meio do laser que compreende a realização prática do metro. Os cientistas que realizam calibrações de medidores simplesmente continuariam a medir o mesmo número de comprimentos de onda do laser até que um acordo fosse feito para fazer o contrário. O mesmo é verdade em relação à dependência do mundo real em relação ao quilograma: se a massa do IPK mudasse ligeiramente, não haveria efeito automático sobre as outras unidades de medida porque suas realizações práticas fornecem uma camada isolante de abstração. Qualquer discrepância eventualmente teria que ser reconciliada, porque a virtude do sistema SI é sua precisa harmonia matemática e lógica entre suas unidades. Se o IPK' Se o valor de s tivesse sido definitivamente provado ter mudado, uma solução teria sido simplesmente redefinir o quilograma como sendo igual à massa do IPK mais um valor de deslocamento, à semelhança do que havia sido feito anteriormente com suas réplicas; por exemplo, "o quilograma é igual à massa doIPK + 42 partes por bilhão " (equivalente a 42  μg).

A solução de longo prazo para esse problema, no entanto, foi liberar a dependência do sistema SI do IPK, desenvolvendo uma realização prática do quilograma que pode ser reproduzida em diferentes laboratórios seguindo uma especificação escrita. As unidades de medida em tal realização prática teriam suas magnitudes precisamente definidas e expressas em termos de constantes físicas fundamentais . Embora a maior parte do sistema SI ainda seja baseada no quilograma, o quilograma agora é baseado em constantes invariantes e universais da natureza.

Referências

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Notas

  1. O endereço postal do Pavillon (e, portanto, do BIPM) fica na comuna vizinha de Sèvres , por isso é frequentemente relatado como estando localizado lá, mas os terrenos estão na comuna de Saint-Cloud (OpenStreetMap).
  2. ^ ab O protótipo nº 8(41) foi acidentalmente carimbado com o número 41, mas seus acessórios carregam o número apropriado 8. Como não há nenhum protótipo marcado com 8, este protótipo é referido como 8(41).
  3. Os números 42′, 77 e 650 são chamados de "padrões" em vez de "protótipos" porque estão ligeiramente abaixo do peso, tendo sido removido um pouco demais de material quando foram fabricados. Além de estarem mais de 1 mg abaixo da massa nominal de 1 kg, eles são idênticos aos protótipos e são usados ​​durante o trabalho de calibração de rotina.
  4. Os outros dois padrões Pt-10Ir pertencentes aos Estados Unidos são o K79, de uma nova série de protótipos (K64–K80) que foram torneados diretamente em uma massa de acabamento, e o K85, que é usado para experimentos de equilíbrio Kibble .
  5. Observe que se a diferença de 50 μg entre o IPK e suas réplicas fosse inteiramente devida ao desgaste, o IPK teria que ter perdido 150 milhões de bilhões de átomos de platina e irídio a mais no último século do que suas réplicas. Que haveria tanto desgaste, muito menos uma diferença dessa magnitude, é considerado improvável; 50 μg é aproximadamente a massa de uma impressão digital. Especialistas do BIPM em 1946 conduziram cuidadosamente experimentos de limpeza e concluíram que mesmo vigorososesfregar com uma camurça - se feito com cuidado - não alterou a massa dos protótipos. Experimentos de limpeza mais recentes no BIPM, que foram conduzidos em um protótipo específico (K63), e que se beneficiaram da então nova balança NBS-2, demonstraram estabilidade de 2 μg. Experimentos nos protótipos nº 7 e 32 em janeiro de 2014 mostraram menos de 0,5 μg de massa perdida em um terceiro ciclo completo de limpeza e lavagem. [16]
        Muitas teorias foram avançadas para explicar a divergência nas massas dos protótipos. Uma teoria postula que a mudança relativa na massa entre o IPK e suas réplicas não é uma perda e sim uma simples questão de que o IPK ganhou menosdo que as réplicas. Essa teoria começa com a observação de que o IPK é armazenado exclusivamente em três redomas aninhadas, enquanto suas seis cópias irmãs armazenadas ao lado dele no cofre, bem como as outras réplicas dispersas pelo mundo, são armazenadas em apenas duas. Essa teoria também se baseia em dois outros fatos: que a platina tem uma forte afinidade com o mercúrio e que o mercúrio atmosférico é significativamente mais abundante na atmosfera hoje do que na época em que o IPK e suas réplicas foram fabricados. A queima de carvão é um dos principais contribuintes para o mercúrio atmosférico e tanto a Dinamarca quanto a Alemanha têm altas participações de carvão na geração elétrica. Por outro lado, a geração elétrica na França, onde o IPK é armazenado, é principalmente nuclear. Esta teoria é apoiada pelo fato de que a taxa de divergência de massa - relativa ao IPK - do protótipo da Dinamarca,126 μg/século desde que tomou posse do K55 em 1954. No entanto, ainda outros dados para outras réplicas não apóiam esta teoria. Essa teoria de absorção de mercúrio é apenas uma das muitas avançadas pelos especialistas para explicar a mudança relativa na massa. Até o momento, cada teoria provou ser implausível ou não há dados ou meios técnicos suficientes para prová-la ou refutá-la.
  6. A variação média na massa do primeiro lote de réplicas em relação ao IPK ao longo de cem anos é de +23,5  μg com um desvio padrão de 30  μg. Por A Terceira Verificação Periódica de Protótipos Nacionais do Quilograma (1988–1992) , G.  Girard, Metrologia 31 (1994) Pg.  323, Tabela  3. Os dados são para os protótipos K1, K5, K6, K7, K8(41), K12, K16, K18, K20, K21, K24, K32, K34, K35, K36, K37, K38 e K40; e exclui K2, K23 e K39, que são tratados como outliers. Este é um conjunto de dados maior do que o mostrado no gráfico no topo desta seção, que corresponde à Figura  7 do  artigo de G. Girard. 
  7. Supondo que a tendência do passado continue, em que a mudança média na massa do primeiro lote de réplicas em relação ao IPK ao longo de cem anos foi de +23,5  σ 30  μg.

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imagens externas
ícone de imagemBIPM: O IPK em três redomas aninhadas [ link morto ]
ícone de imagemNIST: K20, o protótipo nacional de quilograma dos EUA repousando sobre um painel de luz fluorescente de caixa de ovos [ link morto ]
ícone de imagemBIPM: Limpeza a vapor de um protótipo de 1 kg antes de uma comparação de massa
ícone de imagemBIPM: O IPK e suas seis cópias irmãs em seu cofre
ícone de imagemNIST: Esta Balança Rueprecht em particular, uma balança de precisão de fabricação austríaca, foi usada pelo NIST de 1945 a 1960 [ dead link ]
ícone de imagemBIPM: A balança de fita flexível FB‑2, a moderna balança de precisão do BIPM com desvio padrão de um décimo bilionésimo de quilograma (0,1  μg)
ícone de imagemBIPM: Balança Mettler HK1000, com  resolução de 1 μg e  massa máxima de 4 kg. Também usado pelo Laboratório de Padrões Primários do NIST e Sandia National Laboratories
  • Laboratório Nacional de Física do Reino Unido (NPL): Algum problema é causado por ter o quilograma definido em termos de um artefato físico? (FAQ - Massa e Densidade)
  • Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM): Home page
  • NZZ Folio: Quanto realmente pesa um quilograma
  • NPR: Este quilograma tem um problema de perda de peso , uma entrevista com o físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, Richard Steiner
  • Amostra, Ian (9 de novembro de 2018). "Na balança: cientistas votam na primeira mudança para quilograma em um século" . O Guardião . Acesso em 9 de novembro de 2018 .

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