Техника - молодёжи 2004-03, страница 59

И долгое время никто не видел особой практической надобности от изменения эталона. Хотя теоретически, конечно, хотелось бы иметь также «виртуальный» эталон килограмма, который можно было бы, подобно метру и секунде, воспроизводить с высокой точностью и без особых хлопот.

А то ведь, например, для контрольного взвешивания того эталона, что хранится в нашей стране, пришлось сконструировать и построить специальные весы, которые находятся в строго контролируемом хранилище на фундаменте в 700 т, чтобы исключить влияние посторонних толчков и вибраций. Причем в помещении выдерживается температура с точностью до 0,01 С, а вся процедура взвешивания ведется дистанционно, с помощью манипуляторов. Человек с его массой в 80 кг и температурой 36,6° С способен серьезно нарушить показания эталонных весов, обычно работающих с допуском плюс-минус 0,002 мг.

До поры, до времени с подобными неудобствами как-то мирились. Однако в 1990 г. метрологи пережили настоящее потрясение, вдруг выяснив, что эталон изменил свое значение.

Выяснилось это следующим образом. Время от времени вторичные эталоны килограмма, что еще в 1889 г. были розданы странам—участницам конвенции, снова привозят в Севр для сравнения между собой с первичным эталоном. В XX в. это было сделано дважды — в 1950 и в 1990 гг. И в ходе последнего сравнения вдруг выяснилось, что главный эталон вдруг полегчал на 50 мкг.

И хотя столько весит всего лишь мельчайшая крупинка соли, метрологам стало ясно — такую погрешность на неточность самих весов, на которых производилось сравнение, уже не спишешь.

Почему полегчал эталон, никто понять толком до сих пор не может. Тем не менее доверие к платиновому эталону было окончательно подорвано. А потому сегодня метрологи активно работают над созданием нового эталона килограмма, основанного на физических явлениях и константах.

ТРИ ПУТИ К ОДНОЙ ЦЕЛИ

При этом ученые пошли разными путями. Так, в Федеральном физико-техническом ведомстве Австрии все усилия сконцентрированы на создании идеального шара, размером с теннисный мяч, состоящего из сверхчистого кремния. По идее, он должен весить точно один килограмм, поскольку австрийские исследователи сначала сосчитали количество атомов, которые должны весить ровно один килограмм, потом посчитали, какой объем должна занимать кристаллическая решетка, состоящая из этого количества атомов, а теперь шлифуют и полируют шар, подгоняя его под выверенные размеры.

Арнольд Николаус, один из участников этой работы, поясняет суть дела так. «Отклонение от сферической формы шара составляет уже не более 30 нм, что примерно соответствует 1/1000 диаметра человеческого волоса. Если бы наша планета была таких же идеальных про

порций, то самая высокая гора на Земле была не выше 2 м».

Понятно, что в своей работе метрологи прибегли к некой хитрости. Они не стали пересчитывать все атомы поштучно — это практически невозможно. Они поступили так же, как кладовщики на обычном складе. Если в их ведении есть склад стеклотары, они не пересчитывают все бутылки. Обычно они узнают количество бутылок в одном ящике, потом считают, сколько ящиков стоят друг на друге в одном штабеле. И, наконец, пересчитывают количество штабелей в длину и ширину. Перемножение всех этих чисел и даст искомое количество бутылок на складе. В кремнии особенности кристаллической структуры позволяют пересчитать атомы, словно бутылки.

Тем не менее эта работа еще далека от завершения. Дело в том, что для шара нужен особо чистый кремний. Тот, что использован ныне, годится лишь для отработки всей методики изготовления эталонов. «В дальнейшем чистоту материала нужно увеличить, как минимум втрое, иначе получается, что в наших «штабелях» попадаются ящики разных размеров с различным количеством бутылок», — пояснил суть дела Николаус.

Изготовить очередной шар он собирается из изотопа кремния-28, который будет получен с помощью центрифуг, созданных в нашей стране для обогащения урана. «На российских центрифугах мы надеемся получить изотоп 2eSi и с чистотой в 99,99 %», — пояснил он.

Пока же Николаус провел уже 500 000 измерений диаметра шара по разным сечениям и убедился, что это самая точная сфера, когда-либо изготовленная рукой человека. Силициевый шар настолько круглый и гладкий, что невооруженным глазом невозможно даже заметить, вращается он или нет. Только если на его поверхность сядет пылинка, становится заметно ее перемещение. Но от пыли шар предохраняется герметическим футляром.

Коллега Николауса — Михаэль Дэй-тер — пытается достигнуть той же цели, работая с ионами висмута. В вакууме с помощью ускорителя получают пучок ионов — электрически заряженных атомов того же висмута. Их направляют в специальный коллектор, по пути пересчитывая почти поштучно.

Делается это, опять-таки, окольными путями. Пучок ионов по сути — электрический ток, величину которого можно измерить достаточно точно. По силе тока и времени, в течение которого он идет, и судят о количестве ионов, попавших в коллектор.

Сам коллектор представляет собой полый цилиндр с небольшим отверстием для приема ионов. Когда в нем наберется достаточное количество ионов, их преци-зионно взвесят. Для этого уже имеются высокоточные весы, погрешность измерения которых не превышает 0,01 мкг.

Однако и здесь немало трудностей. Во-первых, нужно собрать около 10 г ионов, что само по себе непросто: установка должна работать непрерывно не менее 6 суток. Во-вторых, придется учитывать массу самого контейнера, а она мо

жет быть определена с некоторой погрешностью. В-третьих, встает проблема хранения самих ионов, ведь со временем они будут терять свой заряд...

Так что все опыты и в этом варианте носят пока лишь предварительный характер. Достигнута точность измерения всего лишь 10~³, в 2004 г. ее надеются поднять до ЮЛ А практическую ценность эталон получит лишь при точности 10~⁸.

Исходя из всего вышесказанного, Вольфганг Шмидт — директор Швейцарского Института метрологии в Берне — возлагает свои надежды на третий метод определения эталона килограмма. Он называется электрическим или ваттным (от слова «ватт» — единицы измерения электрической мощности). Для этого исследователь создал специальную установку, которая называется ватт-весы. Она основана на эффектах, возникающих в катушке, через обмотки которой пропущен электрический ток. Зная величину тока и величину смещения сердечника в этой катушке, можно подобрать механический эквивалент для уравновешивания системы. Это и будет эталон килограмма.

Преимущество данного метода заключается втом, что, измерив электрические величины один раз, на эталонной установке мы потом сможем воспроизводить их с очень высокой точностью. Таким образом, именно этот эталон ближе всего к эталону «виртуального» килограмма.

Кроме того, электрические величины связаны с постоянной Планка и массой электрона — величинами, которые известны с достаточной точностью и являются известными константами. А стало быть, легче будет соотнести новый эталон килограмма с другими эталонными величинами.

Так все обстоит в идеале. Но на практике и тут пока не достигнута нужная точность. Немногим лучше идут дела и у коллег Шмидта в США и Великобритании.

Какой именно эталон — «ваттный», ионный или кремниевый — будет принят за основу нового килограмма, судить пока трудно. Окончательное решение должна принять специальная комиссия Международного бюро мер и весов. Но эксперты не торопятся. По словам доктора Ричарда Дэвиса, заведующего секцией массы международного бюро, комиссия примет свое решение лишь после окончания работ по всем направлениям. А это, судя по всему, произойдет еще не скоро.

Не случайно Виктор Савельевич Снегов, руководитель лаборатории государственного стандарта массы из Всероссийского НИИ метрологии имени Д.И. Менделеева (ВНИИМа), что в Санкт-Петербурге, к которому мы обратились с просьбой прокомментировать ситуацию, посоветовал не драматизировать события. «Конечно, хотелось бы, для порядка, привести эталон массы к современному виду, такому же, например, как эталон метра, — сказал он. — Этим, кстати, специалисты занимаются уже более двух десятков лет, однако до сих пор никакой сенсацией тут не пахло. И почему зарубежные СМИ расшумелись под данному поводу именно сейчас, совершенно непонятно»... п

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 3 2 0 0 4

57