Was sind die vorgeschlagenen Realisierungen im Neuen SI für Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol?

Das BIPM hat jetzt Entwürfe für die Mises en Pratique der neuen SI-Einheiten veröffentlicht, und es ist etwas klarer, worum es geht. Die Entwürfe befinden sich auf der Seite „Neue SI“ des BIPM unter der Registerkarte „Entwurfsdokumente“. Dies sind Entwürfe und können sich ändern, bis die neuen Definitionen irgendwann im Jahr 2018 fertiggestellt sind . Zum jetzigen Zeitpunkt haben die mises en pratique erst kürzlich das Stadium des beratenden Ausschusses durchlaufen, und der Entwurf der SI-Broschüre enthält noch keine dieser Informationen.

Das erste, was zu beachten ist, ist, dass der Abhängigkeitsgraph im Vergleich zum alten SI wesentlich verändert wurde, mit deutlich mehr Verbindungen. Eine kurze Zusammenfassung des Abhängigkeitsdiagramms, sowohl neu als auch alt, ist unten.

$\ \ $

Im Folgenden werde ich die neuen Definitionen Einheit für Einheit untersuchen, und der Abhängigkeitsgraph wird sich im Laufe der Zeit selbst füllen.

Der Zweite

Der zweite wird im Wesentlichen unverändert bleiben, aber es ist wahrscheinlich, dass der spezifische Referenzübergang vom Mikrowellen- zum optischen Bereich geändert wird. Die aktuelle Definition der Sekunde lautet

Das zweite Symbol$\mathrm{s}$, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie wird definiert, indem der feste Zahlenwert der Cäsiumfrequenz genommen wird$\Delta\nu_\mathrm{Cs}$, der ungestörten Grundzustands-Hyperfeinaufspaltungsfrequenz des Cäsium-133-Atoms, zu sein$9\,192\,631\,770\:\mathrm{Hz}$, wobei die SI-Einheit$\mathrm{Hz}$ist gleich$\mathrm{s}^{–1}$für periodische Phänomene.

Das heißt, das zweite ist tatsächlich als Frequenzstandard implementiert : Wir verwenden die Resonanzfrequenz eines Stroms von Cäsiumatomen, um Mikrowellenoszillatoren zu kalibrieren, und dann verwenden wir Elektronik, um Zyklen bei dieser Frequenz zu zählen, um die Zeit zu messen.

Im neuen SI wird sich die Sekunde meines Wissens nicht ändern, aber auf einer etwas längeren Zeitskala wird sie sich von einem Mikrowellenübergang zu einem optischen ändern, wobei der genaue Übergang noch entschieden werden muss. Der Grund für die Änderung liegt darin, dass optische Uhren mit höheren Frequenzen arbeiten und daher weniger Zeit für vergleichbare Genauigkeiten benötigen, wie hier erläutert , und dass sie so viel stabiler werden als Mikrowellenuhren, dass die grundlegende Einschränkung für ihre Verwendung zur Frequenzmessung die Unsicherheit ist im Standard selbst, wie hier erklärt .

In Bezug auf die praktische Verwendung wird sich die Sekunde geringfügig ändern, da sich der Frequenzstandard jetzt im optischen Bereich befindet, während die meisten von uns verwendeten Uhren dazu neigen, Elektronik zu wünschen, die mit Mikrowellen- oder Radiofrequenzen arbeitet, die einfacher zu steuern sind, also Sie wollen eine Möglichkeit, den MHz-Oszillator Ihrer Uhr mit dem Standard von ~ 500 THz zu vergleichen. Dies geschieht mit einem Frequenzkamm : einer stabilen Quelle scharfer, periodischer Laserpulse, deren Spektrum eine Reihe scharfer Linien in präzisen Abständen ist, die aus interferometrischen Messungen bei der Wiederholungsfrequenz gewonnen werden können. Dann kalibriert man den Frequenzkamm auf das optische Frequenznormal und den Taktoszillator gegen die interferometrischen Messungen. Für weitere Details siehe zB NIST oder RP Photonics .

Der Meter

Das Messgerät wird in seiner alten Definition völlig unverändert belassen:

Das Meter, Symbol$\mathrm{m}$, ist die SI-Einheit der Länge. Sie wird definiert, indem der feste Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum genommen wird$c$sein$299\,792\,458\:\mathrm{m/s}$.

Der Zähler ist daher sekundenabhängig und ohne Zugriff auf ein Frequenznormal nicht realisierbar.

Es ist wichtig, hier anzumerken, dass der Meter ursprünglich bis 1960 durch den internationalen Prototypen des Meters unabhängig definiert wurde und dieser Standard die Lichtgeschwindigkeit war${\sim}299\,792\,458 \:\mathrm{m/s}$wurde gemessen. Im Jahr 1983, als Laser-Entfernungsmessung und ähnliche lichtbasierte Technologien zur präzisesten Methode zur Entfernungsmessung wurden, wurde die Lichtgeschwindigkeit festgelegt, um den Standard genauer und einfacher zu implementieren, und er wurde auf den alten Wert festgelegt, um die Konsistenz beizubehalten vorherige Messungen. Es wäre zum Beispiel verlockend gewesen, die Lichtgeschwindigkeit auf eine Runde festzulegen$300\,000\,000 \:\mathrm{m/s}$, nur 0,07 % schneller und viel bequemer, aber dies hätte zur Folge, dass alle bisherigen Messungen, die vom Messgerät abhängen, mit neueren Instrumenten über ihre vierte signifikante Stelle hinaus inkompatibel wären.

Dieser Prozess - das Ersetzen eines alten Standards durch Festlegen einer Konstante auf ihren aktuellen Wert - ist genau das, was mit dem Rest des SI passiert, und alle Bedenken bezüglich dieses Prozesses können direkt auf die Neudefinition des Messgeräts abgebildet werden (was ich hinzufügen möchte , lief ziemlich gut).

Das Ampere

Das Ampere wird komplett überarbeitet, und es wird (im Wesentlichen) durch die Festlegung der Elektronenladung definiert$e$bei (ungefähr)$1.602\,176\,620\times 10^{–19}\:\mathrm C$, also auf Anhieb hängt das Ampere von der Sekunde ab und sonst nichts.

Die aktuelle Definition basiert auf den magnetischen Kräften zwischen parallelen Drähten: genauer gesagt, zwei unendlichen Drähten, die durch getrennt sind$1\:\mathrm m$Tragen$1\:\mathrm{A}$jeder zieht sich (per Definition) an$2\times10^{-7}\:\mathrm{N}$pro Meter Länge, was der Festlegung des Wertes der Vakuumdurchlässigkeit entspricht$\mu_0=4\pi\times 10^{-7}\mathrm{N/A^2}$; Der alte Standard hängt von allen drei dynamischen MKS-Standards ab, wobei Meter und Kilogramm im neuen Schema entfallen. Die neue Definition verlagert sich auch wieder auf einen ladungsbasierten Standard, aber aus irgendeinem Grund (wahrscheinlich um die Dinge nicht zu sehr aufzurütteln, aber auch, weil Strommessungen für Anwendungen viel nützlicher sind) hat das BIPM beschlossen, das Ampere als Basis beizubehalten Einheit.

Die Mise en pratique - Vorschläge des BIPM sind vielfältig. Einer von ihnen implementiert die Definition direkt, indem er eine Einzelelektronen-Tunnelvorrichtung verwendet und einfach die Elektronen zählt, die hindurchgehen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dies über sehr kleine Ströme hinaus funktioniert, und um zu höheren Strömen zu gelangen, muss man etwas neue Physik einbeziehen.

Insbesondere machen sich die vorgeschlagenen Standards bei angemessenen Strömen auch die Tatsache zunutze, dass die Planck-Konstante$h$hat auch einen festen Wert von (ungefähr)$6.626\,069\times 10^{−34}\:\mathrm{kg\:m^2\:s^{-1}}$, und dies legt den Wert von zwei wichtigen Konstanten fest.

• Eine davon ist die Josephson-Konstante $K_J=2e/h=483\,597.890\,893\:\mathrm{GHz/V}$, die das Inverse des magnetischen Flussquants ist$\Phi_0$. Diese Konstante ist entscheidend für Josephson -Kontakte , die dünne Verbindungen zwischen Supraleitern sind, die unter anderem bei Beaufschlagung mit einer Wechselspannung eine Frequenz aufweisen$\nu$erzeugt diskrete Sprünge (sogenannte Shapiro-Schritte) bei den Spannungen$V_n=n\, \nu/K_J$in der Gleichstrom-Spannungs-Kennlinie: das heißt, wie man eine Gleichspannung überstreicht$V_\mathrm{DC}$vorbei an$V_n$, der resultierende Strom$I_\mathrm{DC}$hat einen diskreten Sprung. (Weitere Informationen finden Sie hier , hier oder hier .)

  Darüber hinaus weicht diese Konstante direkt einem Spannungsstandard, der nur von einem Frequenzstandard abhängt, im Gegensatz zu einer Abhängigkeit von den vier MKSA-Standards wie im alten SI. Dies ist eine Standardfunktion des neuen SI, wobei der Abhängigkeitsgraph für den gesamten Satz von Basis- und abgeleiteten Einheiten vollständig erschüttert wird, wobei einige Verknüpfungen hinzugefügt, aber einige entfernt werden. Die aktuellen Mise-en-Pratique - Vorschläge beinhalten Stiche bei den meisten abgeleiteten Einheiten wie Farad, Henry und so weiter.

• Die zweite Konstante ist die von Klitzing-Konstante $R_K = h/e^2= 25\,812. 807\,557 \:\Omega$, der im Quanten-Hall-Effekt auftaucht : Bei niedrigen Temperaturen wird ein Elektronengas, das in einem starken Magnetfeld auf eine Oberfläche beschränkt ist, die Leitfähigkeit des Systems quantisiert und muss als ganzzahliges (oder möglicherweise gebrochenes) Vielfaches des Leitfähigkeitsquants auftreten $G_0=1/R_K$. Ein System im Quanten-Hall-Regime liefert daher ein natürliches Widerstandsnormal (und mit etwas Arbeit und einem Frequenznormal Induktivitäts- und Kapazitätsnormale).

Diese beiden Konstanten können kombiniert werden, um zu geben$e=K_J/2R_K$, oder praktischer ausgedrückt, man kann Spannungs- und Widerstandsstandards implementieren und dann das Ampere als den Strom nehmen, der durch a fließt$1\:\Omega$Widerstand bei einer Potentialdifferenz von$1\:\mathrm V$. In einer wortreicheren Sprache wird dieser Strom beim ersten Shapiro-Spannungsschritt eines Josephson-Kontakts erzeugt, der mit einer Frequenz angesteuert wird$483.597\,890\,893\:\mathrm{THz}$, wenn es auf einen Widerstand der Leitfähigkeit angewendet wird$G=25\,812. 807\,557\,G_0$. (Die Zahlen hier sind natürlich unrealistisch - diese Frequenz liegt im sichtbaren Bereich, bei$620\:\mathrm{nm}$- Sie müssen also einige Dinge neu skalieren, aber es kommt auf das Wesentliche an.

Es ist wichtig zu beachten, dass dies zwar ein bisschen umständlich ist, um einen aktuellen Standard zu definieren, aber nicht von zusätzlichen Standards über den zweiten hinaus abhängt. Es sieht so aus, als ob es von der Planck-Konstante abhängt$h$, aber solange die Josephson- und von Klitzing-Konstanten entsprechend variiert werden, hängt diese Definition des Stroms nicht wirklich davon ab$h$.

Schließlich ist es auch wichtig anzumerken, dass die Neudefinition in Bezug auf die Präzisionsmesstechnik relativ wenig ändern wird und tatsächlich eine konzeptionelle Vereinfachung dessen darstellt , wie genaue Standards derzeit implementiert werden. Beispielsweise erklärt NPL ganz offen , dass in der aktuellen messtechnischen Kette

Alle elektrischen Messungen unter 10 MHz bei NPL sind auf zwei Quantenstandards rückführbar: den Quanten-Hall-Effekt (QHE)-Widerstandsstandard und den Josephson-Spannungsstandard (JVS).

Das heißt, die moderne praktische elektrische Messtechnik hat im Wesentlichen immer konventionelle elektrische Einheiten implementiert – Einheiten, die auf festen „konventionellen“ Werten von basieren$K_J$und$R_K$die 1990 eingestellt wurden, bezeichnet als$K_{J\text{-}90}$und$R_{K\text{-}90}$und die die festen Werte haben$K_{J\text{-}90} = 483.597\,9\:\mathrm{THz/V}$und$R_{K\text{-}90} = 25\,812.807\:\Omega$. Das neue SI wird diesen Riss tatsächlich heilen, indem es eine solidere konzeptionelle Grundlage für den bereits verwendeten pragmatischen metrologischen Ansatz bietet.

Das Kilogramm

Auch das Kilogramm wird komplett überarbeitet. Das aktuelle Kilogramm - die Masse$M_\mathrm{IPK}$des internationalen Urkilogramms - driftet aus verschiedenen Gründen seit einiger Zeit leicht ab. Eine auf physikalischen Konstanten basierende Definition (im Gegensatz zu einer artefaktbasierten Definition) ist seit einiger Zeit erwünscht, aber erst jetzt erlaubt die Technologie wirklich, dass eine auf Konstanten basierende Definition als genauer Standard funktioniert.

Das Kilogramm, wie in der Frage erwähnt, ist so definiert, dass die Planck-Konstante$h$hat einen festen Wert von (ungefähr)$6.626\,069\times 10^{−34}\:\mathrm{kg\:m^2\:s^{-1}}$, daher hängt das SI-Kilogramm von der Sekunde und dem Meter ab und erfordert Standards für beide, um einen Massenstandard zu erstellen. (Da das Messgerät direkt von der Sekunde abhängt, benötigt man in der Praxis nur ein Zeitnormal, z. B. einen Laser, dessen Wellenlänge bekannt ist, um diese Kalibrierung vorzunehmen.)

Die derzeit vorgeschlagene Mise en Pratique für das Kilogramm sieht zwei mögliche Implementierungen dieses Standards vor, von denen die wichtigste über eine Wattwaage erfolgt . Dies ist ein Gerät, das magnetische Kräfte verwendet, um das zu kalibrierende Gewicht zu halten, und dann die elektrische Leistung misst, die es verwendet, um das Gewicht zu bestimmen. Eine interessante Implementierung finden Sie in dieser von NIST erstellten LEGO-Wattwaage .

Um zu sehen, wie diese Geräte funktionieren können, betrachten Sie die folgende Skizze mit dem "Wägemodus" auf der rechten Seite.

^{Bildquelle: arXiv:1412.1699 . Guter Ort, um für ihre Facebook-Seite zu werben .}

Hier wird das Gewicht an einer kreisförmigen Drahtspule befestigt$L$das in ein Magnetfeld gleicher Stärke eingetaucht ist$B$die radial nach außen zeigt, mit einer Strömung$I$durch den Draht fließt, also im Gleichgewicht ist

$$mg=F_g=F_e=BLI.$$ Dies gibt uns das Gewicht in Bezug auf eine elektrische Messung von$I$- außer dass wir einen genauen Wert von benötigen$B$. Dies kann gemessen werden, indem das Gewicht entfernt und die Waage im "Geschwindigkeitsmodus" betrieben wird, wie links in der Abbildung gezeigt, indem die Platte mit Geschwindigkeit bewegt wird$v$und Messen der Spannung$V=BLv$die diese Bewegung hervorruft. Das Produkt$BL$kann dann gestrichen werden, wobei das Gewicht als angegeben wird $$mg=\frac{IV}{v},$$ rein in Bezug auf elektrische und dynamische Messungen. (Dies erfordert eine Messung des lokalen Werts von$g$, aber das ist leicht lokal mit Längen- und Zeitstandards zu messen.)

Auf einer Ebene ist es also großartig, dass wir diese raffinierte Nicht-Artefakt-Waage haben, die beliebige Gewichte messen kann, aber wie kommt es, dass sie von elektrischen Größen abhängt, wenn das neue SI-Kilogramm nur von den kinematischen Längenstandards abhängen soll und Zeit? Wie in der Frage erwähnt, erfordert dies ein wenig Umstrukturierung im gleichen Sinne wie beim Ampere. Insbesondere der Josephson-Effekt ergibt einen natürlichen Spannungsstandard und der Quanten-Hall-Effekt einen natürlichen Widerstandsstandard, und diese können kombiniert werden, um so etwas wie einen Leistungsstandard zu ergeben

die Verlustleistung über einen Widerstand der Leitfähigkeit$G=25\,812. 807\,557G_0$durch eine Spannung, die Wechselstrom der Frequenz erzeugt$483.597\,890\,893\:\mathrm{THz}$wenn es auf einen Josephson-Kontakt angewendet wird

(mit den gleichen Vorbehalten zu den tatsächlichen Zahlen wie zuvor) und wie zuvor wird diese Leistung tatsächlich unabhängig von dem gewählten Wert sein$e$so lange wie$K_J$und$R_K$werden entsprechend geändert.

Um kurz auf unsere Wattwaage im NIST-Stil zurückzukommen, stehen wir vor der Messung einer Spannung$V$und eine Strömung$I$. Die jetzige$I$wird am einfachsten gemessen, indem es durch einen Referenzwiderstand geleitet wird$R_0$und Messen der Spannung$V_2=IR_0$es erstellt; die Spannungen erzeugen dann Frequenzen$f=K_JV$und$f_2=K_JV_2$wenn er über Josephson-Übergänge geführt wird, und der Referenzwiderstand kann einen Vergleich mit einem Quanten-Hall-Standard geben$R_0=rR_K$, in welchem ​​Fall

$$m =\frac{1}{rR_KK_J^{2}}\frac{ff_2}{gv} =\frac{h}{4}\frac{ff_2}{rgv},$$ dh eine Messung der Masse in Form der Planckschen Konstante, kinematische Messungen und ein Widerstandsverhältnis, wobei die Messungen zwei "Artefakte" - einen Josephson-Kontakt und einen Quanten-Hall-Widerstand - enthalten, die universell realisierbar sind.

Der Maulwurf

Der Maulwurf ist mir als Basiseinheit immer etwas seltsam vorgekommen, und der neu definierte SI macht ihn etwas seltsamer. Die alte Definition lautet

Der Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das so viele Elementarwesen enthält, wie Atome darin sind$12\:\mathrm{g}$von Kohlenstoff 12

mit dem Vorbehalt, dass

wenn der Maulwurf verwendet wird, müssen die elementaren Einheiten angegeben werden und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen, andere Teilchen oder bestimmte Gruppen solcher Teilchen sein.

Der Maulwurf ist definitiv eine nützliche Einheit in der Chemie oder bei jeder Aktivität, bei der Sie makroskopische Größen messen (z. B. bei einer Reaktion freigesetzte Energie) und diese abstrakt mit der von Ihnen verwendeten molekularen (oder anderen) Spezies in Beziehung setzen möchten , und dazu müssen Sie wissen, wie viele Mole Sie verwendet haben.

Um in erster Näherung die Anzahl der Mole in einer Probe von beispielsweise Benzol ($\mathrm{ {}^{12}C_6H_6}$) würden Sie die Probe in Gramm wiegen und durch dividieren$12\times 6+6=78$. Dies scheitert jedoch daran, dass die Masse jedes Wasserstoffatoms größer ist als$1/12$der Kohlenstoffatome um etwa 0,7 % , hauptsächlich wegen des Massendefekts von Kohlenstoff. Dies würde die Messungen der Stoffmenge über ihre dritte signifikante Zahl hinaus ungenau machen und alle darauf basierenden Messungen verfälschen.

Um das zu beheben, rufen Sie die Molekülmasse der von Ihnen verwendeten Spezies auf, die wiederum aus der relativen Atommasse ihrer Komponenten berechnet wird und sowohl Isotopeneffekte als auch Massendefekteffekte umfasst. Die Frage ist jedoch, wie misst man diese Massen und wie genau kann man das tun?

Um zu bestimmen, dass die relative Atommasse von${}^{16}\mathrm O$ist$15.994\,914\, 619\,56 \:\mathrm{Da}$, muss man beispielsweise ein Mol Sauerstoff gemäß der obigen Definition erreichen, dh so viele Sauerstoffatome wie Kohlenstoffatome darin sind$12\:\mathrm g$aus Kohlenstoff. Dieser ist relativ einfach: Verbrennen Sie den Kohlenstoff in einer isotopenreinen Sauerstoffatmosphäre, trennen Sie den unverbrannten Sauerstoff und wiegen Sie das entstehende Kohlendioxid. Dies mit dreizehn signifikanten Zahlen zu tun, ist jedoch absolut heldenhaft, und darüber hinaus das gesamte Periodensystem zu füllen, wird offensichtlich eine lange Übung sein, um die Genauigkeit langer Rückverfolgbarkeitsketten der chemischen Metrologie zu erreichen.

Nun, es kann tatsächlich genauere Wege geben, dies zu tun, und sie alle haben mit dem Avogadro-Projekt zu tun : die Schaffung einer glänzenden Siliziumkugel mit einer genau festgelegten Anzahl von${}^{28}\mathrm{Si}$Atome. Dazu wird das Volumen ermittelt (durch Messung des Durchmessers und durch optische Interferometrie sichergestellt, dass die Kugel wirklich rund ist) und der Abstand zwischen einzelnen Atomen im Kristall ermittelt. Der coole Teil passiert in diesem letzten Bit, weil der Abstand über Röntgenbeugungsmessungen gefunden wird, und diese messen natürlich nicht den Abstand, sondern stattdessen die Konstante

$$\frac{h}{m({}^{28}\mathrm{Si})}$$ wo$h$ist die Plancksche Konstante. Und um das Ganze abzurunden, die$h/m(X)$Kombination kann direkt gemessen werden, zum Beispiel durch Messen der Rückstoßverschiebung in Atomspektroskopie-Experimenten (wie zB hier berichtet ).

Damit können Sie dann die Anzahl der Siliziumatome in der Kugel zählen, ohne sie zu wiegen, oder alternativ die Masse der Kugel direkt in Bezug auf messen$h$(die selbst über das Urkilogramm gemessen wird). Dies gibt eine Mise en Pratique des neuen SI-Kilogramms (wobei der gemessene Wert von$h$durch seinen neuen, festen Wert ersetzt wird), aber das scheint mir ziemlich unpraktisch.

Noch wichtiger ist jedoch, dass Sie dadurch eine gute Bestimmung der Avogadro-Konstante erhalten: die Zahl$N_A$von elementaren Einheiten in einem Maulwurf. Und das ermöglicht es Ihnen, den Maulwurf direkt als neu zu definieren$N_A$elementare Entitäten, mit einem festen Wert für$N_A$, wobei die Verbindung zum alten Standard erhalten bleibt: Durch das Wiegen der Siliziumkugel kann man die relative Atommasse von Silizium messen, und dies verbindet Sie wieder mit der alten chemisch-metrologischen Kette des Wiegens verschiedener Spezies, wenn sie miteinander reagieren.

Dazu kommt noch ein fester Wert von$N_A$ermöglicht eine Reihe von Möglichkeiten, die Substanzmenge zu messen, indem sie mit den neu fixierten Werten anderer Konstanten gekoppelt wird, die in den vorgeschlagenen mises en pratique detailliert beschrieben werden .

• Zum Beispiel können Sie es mit koppeln$e$um den genau bekannten Wert der elektrischen Ladung eines Mols Elektronen zu erhalten,$eN_A$, und führen Sie dann Elektrolyseexperimente gegen einen aktuellen Standard durch, um genaue Zählungen der Elektronen und damit der aggregierten Ionen zu erhalten.
• Alternativ können Sie das ideale Gasgesetz auch so formulieren$pV=nRT=n(N_Ak_B)T$und verwenden Sie den neu festgelegten Wert der Boltzmann-Konstante (siehe unten) und eine Temperaturmessung, um die Anzahl der Mole in der Kammer zu bestimmen.
• Direkter die Nummer$n$Mol einer Substanz$\mathrm X$in einer hochreinen Masseprobe$m$kann noch über bestimmt werden $$n=\frac{m}{Ar(\mathrm X)M_u}$$ wo$Ar(\mathrm X)$ist die relative Masse der Spezies (wie zuvor auf chemischem Wege bestimmt, aber unbeeinflusst, da es sich um ein Massenverhältnis handelt) und $$M_u=m_uN_A$$ ist die Molmassenkonstante, die nicht mehr festgelegt ist und die gleiche Unsicherheit wie erhält$m_u$, gleicht$1/12$der Masse von$N_A$Kohlenstoff-12-Atome.

Was die Abhängigkeit der Standards betrifft, ist klar, dass der Maulwurf nur von dem gewählten Wert von abhängt$N_A$. Um es tatsächlich zu implementieren, benötigt man jedoch eine Reihe zusätzlicher Technologien, die eine ganze Reihe messtechnischer Probleme und die Abhängigkeit von zusätzlichen Standards mit sich bringen, aber welche kommen, hängt genau davon ab, auf welche Weise Sie Dinge messen möchten.

Schließlich, warum der Maulwurf als dimensionale Basiseinheit beibehalten wird - ich persönlich bin noch verlorener als zuvor. Unter der neuen Definition ist die Aussage „ein Mol von X“ genau gleichbedeutend mit der Aussage „ungefähr 602.214.085 Billiarden Einheiten von X“, die Aussage „ein Joule pro Mol“ ist dasselbe wie „ein Joule pro 602.214.085 Billiarden Teilchen“ und so weiter. Für mich fühlt es sich also an wie das Bogenmaß und das Steradiant: eine nützliche Einheit, die ihr Geld wert und der SIness würdig ist, aber immer noch der Einheit entspricht. Aber BIPM haben wohl ihre Gründe.

Das Kelvin

In Fortsetzung der radikalen Überarbeitungen wird das Kelvin komplett neu definiert. Ursprünglich definiert, in der aktuellen SI, als$1/273.16$der thermodynamischen Temperatur $T_\mathrm{TPW}$des Tripelpunkts von Wasser wird im neuen SI das Kelvin definiert, indem der Wert der Boltzmann-Konstante auf (ungefähr) festgelegt wird$k_B=1.380\,6\times 10^{-23}\mathrm{J/K}$.

In der Praxis wird die Verschiebung in vielen Bereichen hauptsächlich semantisch sein. Bei vernünftigen Temperaturen in der Nähe$T_\mathrm{TPW}$, zum Beispiel besagen die vorgeschlagenen mises en pratique dies

Dem CCT ist keine Thermometrietechnologie bekannt, die geeignet ist, eine wesentlich verbesserte Messunsicherheit bereitzustellen$T_\mathrm{TPW}$. Es ist daher unwahrscheinlich, dass sich der Wert ändert$T_\mathrm{TPW}$In Absehbarer Zukunft. Andererseits ist die Reproduzierbarkeit von$T_\mathrm{TPW}$, realisiert in Wassertripelpunktzellen mit angewendeten Isotopenkorrekturen, ist besser als$50\:\mathrm{µK}$. Experimente, die höchste Genauigkeit bei oder nahe bei erfordern$T_\mathrm{TPW}$wird weiterhin auf die Reproduzierbarkeit des Tripelpunktes von Wasser angewiesen sein.

Mit anderen Worten, es ändert sich nicht viel, außer einer Verschiebung der Unsicherheit bei der Bestimmung von$k_B$zur Feststellung von$T_\mathrm{TPW}$. Es scheint, dass dies derzeit in allen Temperaturbereichen der Fall ist , und der Schritt scheint zukunftssicher gegen das Aufkommen genauer Primärthermometer zu sein , die wie folgt definiert sind:

Die primäre Thermometrie wird mit einem Thermometer durchgeführt, das auf einem gut verstandenen physikalischen System basiert, für das die Zustandsgleichung die Beziehung zwischen der thermodynamischen Temperatur beschreibt$T$und andere unabhängige Größen, wie das ideale Gasgesetz oder die Plancksche Gleichung, lassen sich explizit ohne unbekannte oder stark temperaturabhängige Konstanten aufschreiben.

Einige Beispiele dafür sind

• Akustische Gasthermometrie, wo die Schallgeschwindigkeit$u$in einem Gas bezieht sich auf die mittlere Masse$m$und das Wärmekapazitätsverhältnis $\gamma$wie$u^2=\gamma k_BT/m$, so dass die Charakterisierung des Gases und die Messung der Schallgeschwindigkeit die thermodynamische Temperatur ergibt, oder
• radiometrische Thermometrie, bei der optische Pyrometer und das Plancksche Gesetz verwendet werden, um die Temperatur eines Körpers aus seiner Schwarzkörperstrahlung abzuleiten.

Beides sind direkte Messungen von$k_BT$, und liefern somit direkt die Temperatur in neuen Kelvin. Letzteres ist jedoch der einzige Standard, der in ITS-90 verwendet wird, so dass die einzige direkte Auswirkung der Verschiebung anscheinend darin besteht, dass Pyrometer nicht mehr gegen Temperaturquellen kalibriert werden müssen.

Da die Definition vom Joule abhängt, hängt das neue Kelvin offensichtlich vom vollen dynamischen MKS-Triplett ab. Metrologisch sind die Dinge natürlich viel komplizierter - die Thermometrie ist bei weitem der schwierigste Zweig der Metrologie und stützt sich auf eine Vielzahl von Technologien und Systemen sowie auf eine Reihe empirischer Modelle, die nicht vollständig verstanden werden.

Die Kandelaber

Zum Glück bleibt die Candela völlig unberührt. Da es von der abgestrahlten Leistung der Standardkerze abhängt, hängt es vom vollen dynamischen MKS-Triplet ab. Ich möchte diese Gelegenheit jedoch nutzen, um anzumerken, dass die Candela das volle Recht hat, eine SI-Basiseinheit zu sein, wie ich zuvor erklärt habe . Die Definition sieht sehr harmlos aus:

Die Candela, Symbol$\mathrm{cd}$, ist die SI-Einheit der Lichtstärke in einer bestimmten Richtung. Sie wird definiert, indem der feste Zahlenwert der Lichtausbeute genommen wird$K_\mathrm{cd}$von monochromatischer Strahlung der Vakuumwellenlänge$555\:\mathrm{nm}$sein$K_\mathrm{cd}=683\:\mathrm{cd/(W\:sr^{-1})}$.

Was den meisten Menschen jedoch entgeht , ist, dass die Lichtstärke so ist , wie sie von einem (standardisierten) menschlichen Auge wahrgenommen wird, ebenso wie die Lichtausbeute , und allgemeiner, dass Photometrie und Radiometrie sehr unterschiedliche Bestien sind. Photometrische Größen erfordern den Zugang zum menschlichen Auge, ebenso wie dynamische Größen wie Kraft, Energie und Leistung für kinematische Messungen, die nur das Meter und die Sekunde implementieren, nicht zugänglich sind.

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Weiterlesen

• Das aktuelle SI aus der Perspektive des vorgeschlagenen neuen SI. Barry N. Taylor. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 116 , 797–807 (2011) ; NIST-Ausdruck .

Einer der Messaufbauten in der Quantenmechanik beruht auf der Bloch-Oszillation von Rubidium. Sie beschleunigen Rubidium damit und die Messung der Geschwindigkeit ergibt das Verhältnis zwischen$h/M$. Deshalb konnten wir einfach reparieren$h$als Konstante und verwenden Sie dies, um die Masse des Kilogramms zu formulieren.

http://www.lkb.ens.fr/spip.php?action=acceder_document&arg=1135&cle=2f05d45dc9b7a566a9efcd94c7eb5102b13e7a13&file=pdf%2Fpapier-16-10-2008.pdf

http://www.lkb.ens.fr/-Determination-of-hM-on-atomic,295-