킬로그램 재구성을 위한 대안적 접근법

Alternative approaches to redefining the kilogram

과학계는 2018년 11월 SI기반의 재정의를 결정하기 전에 킬로그램의 재정립을 위한 몇 가지 대안적 접근법을 검토했다. 각각의 접근법은 장단점을 가지고 있었다.

킬로그램과 킬로그램에 기초한 몇 개의 다른 SI 단위는 킬로그램의 국제 프로토타입이라고 불리는 인공 금속 물체에 의해 정의되었다.[1] 킬로그램에 대한 오래된 정의는 대체되어야 한다는 광범위한 동의가 있었다.

2019년 재화 이후 SI 시스템: 현재 킬로그램은 두 번째, 미터, 플랑크 상수 측면에서 고정되어 있다.

국제체중측정위원회(CIPM)는 2018년 11월 플랑크 상수를 정확히 6.62607015×10−34 kg2⋅m³s로−1 정의해 킬로그램을 규정하는 SI 기본 장치의 재정의를 승인했다. 이 접근방식은 킬로그램을 2차 및 1미터 단위로 효과적으로 정의하고, 2019년 5월 20일에 발효되었다.[1][2][3][4]

1960년에, m, 이전에도 마찬가지로 2득점으로 한 백금 이리듐 바를 기준으로, 그래서 표준적인 독립적으로 dif에 표시할 수 있는 고정 물리학적 상수(빛의 특정한 방출 krypton,[5]에서 방출되는 빛의 나중에 속도의 파장)의 관점에서 재정의하였습니다 정의되고 있는 듯 하다.페르시방서에 의거하여 실험실을 설립하다

2005년 제94차 국제체중측정위원회(CIPM) 회의에서도 킬로그램으로 할 것을 권고했다.[6]

2010년 10월, CIPM은 체중 및 측정에 관한 일반 회의(CGPM)에서 다른 물리적 상수와 함께 킬로그램이 플랑크 상수 h(에너지 시간의 치수를 갖는)의 관점에서 정의되도록 "의도에 유의"하는 결의안을 제출하기로 의결했다.[7][8] 이 결의안은 2011년 10월 제24차 CGPM[9] 총회에서 받아들여졌으며, 2014년 제25차 총회에서 추가로 논의되었다.[10][11] 위원회는 상당한 진전이 있었다고 인정했지만, 개정된 정의를 채택할 만큼 자료가 충분히 견고해 보이지 않으며 2018년으로 예정된 제26차 회의에서 채택을 계속 가능하게 해야 한다고 결론지었다.[10] 그러한 정의는 이론적으로 플랑크 상수의 관점에서 킬로그램의 의미를 기술할 수 있는 모든 기구가 충분한 정밀도, 정확도 및 안정성을 가지고 있는 한 사용될 수 있도록 허용한다. 키블 균형이 이것을 하는 한 가지 방법이다.

이 프로젝트의 일부로서, 수년에 걸쳐 매우 다른 다양한 기술과 접근방식이 고려되고 탐구되었다. 이러한 접근법 중 일부는 물리적 상수에 기초하거나 추적 가능한 측정 기법과 재료 특성을 사용하여 필요에 따라 새로운 킬로그램 질량 프로토타입을 재현할 수 있는 장비와 절차에 기초하였다. 다른 것들은 손으로 조정한 킬로그램 시험 질량의 가속도 또는 중량을 측정하고 물리적 상수에 대한 추적성을 허용하는 특수 구성요소를 통해 전기 용어로 그 크기를 표현하는 장치에 기초하였다. 이러한 접근방식은 중량 측정을 질량으로 변환하는 것에 따라 달라지기 때문에 실험실의 중력 강도에 대한 정확한 측정을 요구한다. 모든 접근방식은 하나 이상의 자연의 상수를 정의된 값으로 정확하게 고정시켰을 것이다.

키블잔액

NIST의 키블 잔액은 미국 정부가 '전자 킬로그램'을 개발하기 위한 프로젝트다. 전체 장비 위로 내려가는 진공 챔버 돔이 꼭대기에 보인다.
주요기사 : 키블잔액

키블 밸런스(2016년 이전 '와트 밸런스'로 알려져 있음)는 기본적으로 1kg의 시험 질량을 지구 중력에 의해 당길 때 반대하는데 필요한 전력을 측정하는 단판 체중계다. 암페어 균형의 변형이며, 기하학의 효과를 없애는 추가 교정 단계를 가지고 있다. 키블 밸런스의 전위는 조셉슨 전압 표준에 의해 설명되며, 이 표준은 전압을 매우 높은 정밀도와 안정성으로 자연의 불변 상수와 연결시킬 수 있다. 그것의 회로 저항은 양자 홀 효과 저항 표준에 따라 보정된다.

키블 밸런스는 중력계를 사용하여 실험실에서 국소 중력 가속도 g를 극도로 정밀하게 측정해야 한다. 예를 들어, 중력계 중앙의 고도가 키블 균형에서 인근 시험 질량의 고도와 다를 경우, NIST는 1kg 시험 질량의 중량에 약 316μg/m만큼 영향을 미치는 미터당 309μGal의 지구 중력 경사를 보상한다.

2007년 4월, NIST의 키블 잔액 구현은 36μg의 조합 상대적 표준 불확도(CRSU)를 입증했다.[12][Note 1] 영국 국립물리연구소의 키블 잔액은 2007년에 70.3μg의 CRSU를 입증했다.[13] 그 키블 잔액은 2009년에 분해되어 캐나다 국가 측정 표준 연구소(National Research Council의 일부)로 운송되었으며, 이 곳에서 이 장치를 이용한 연구개발이 계속될 수 있었다.

국부 중력 가속도 g는 레이저 간섭계의 도움으로 예외적으로 정밀하게 측정된다. 레이저의 간섭 패턴(위쪽의 어둡고 밝은 띠)은 자유 낙하 코너 반사체가 절대 그라비미터 안에 떨어지면서 더 빠른 속도로 빛을 낸다. 패턴의 주파수 스위프는 원자 시계에 의해 타이밍이 잡힌다.

국부 중력 가속 g에 대해 시험 질량을 위아래로 진동시키는 중력과 키블 균형의 성질을 착취해 기계적 힘을 전기 저항으로 나눈 전압의 사각형인 전력과 비교한다. 단, g는 지구 표면의 어디에서 측정을 하느냐에 따라 거의 1%씩 크게 달라진다(지구의 중력 참조). 또한 지하수 테이블의 변화에 따른 위치에서의 g의 계절적 변화도 약간 있고, 달과 태양에 의한 지구 형상의 해일 왜곡에 의한 반월·일주적 변화도 더 크다. g는 킬로그램의 정의에서 용어는 아니지만, 에너지와 전력 관련 시 킬로그램의 측정 과정에서 매우 중요할 것이다. 따라서 g는 적어도 다른 항과 같은 정밀도와 정확도로 측정해야 하므로 g의 측정은 자연의 기본 상수까지 추적할 수 있어야 한다. 질량 측정학에서 가장 정밀한 작업의 경우 g는 요오드 안정 헬륨-네온 레이저 간섭계를 포함하는 낙하 질량 절대 중량계를 사용하여 측정한다. 간섭계로부터의 프린지 신호 주파수 스위프 출력은 루비듐 원자시계로 측정한다. 이러한 유형의 낙하 질량 중력계는 헬륨, 네온, 루비듐 원자의 선천적 특성뿐만 아니라 빛의 속도의 항상성으로부터 정확성과 안정성을 얻으므로, 전전자 킬로그램의 디라인레이션에 있는 '중력' 용어 또한 자연의 불변성 측면에서 매우 정밀하게 측정된다. 예를 들어, 2009년 NIST의 Gaithersburg 시설의 지하에서 Pt-10Ir 시험 질량에 작용하는 중력을 측정할 때(스테인리스강 질량보다 키블 균형 내부에 밀도가 높고 작고 무게 중심이 약간 낮음) 측정 값은 일반적으로 9.80101644m/s의2 8ppb 이내였다.[14]

키블 밸런스와 같은 전자실현의 장점은 킬로그램의 정의와 보급이 더 이상 킬로그램 시제품의 안정성에 좌우되지 않는다는 데 있으며, 이는 매우 세심하게 취급하고 보관해야 한다. 그것은 물리학자들이 프로토타입의 안정성에 대한 가정에 의존할 필요를 덜어준다. 대신 손으로 조정한 근접한 시제품 질량 표준은 단순히 1kg + 오프셋 값과 동일한 것으로 측정되고 기록될 수 있다. 키블 밸런스를 사용하면 킬로그램이 전기적 및 중력적 용어로 기술되는 반면, 이 모든 것은 자연의 불변수까지 추적할 수 있다; 그것은 자연의 세 가지 기본 상수로 직접 추적할 수 있는 방식으로 정의된다. 플랑크 상수는 두 번째와 미터 단위로 킬로그램을 정의한다. 플랑크 상수를 고정함으로써 킬로그램의 정의는 추가적으로 두 번째와 미터 정의에만 의존한다. 두 번째의 정의는 세슘-133 원자 Δ state(133Cs)의 접지 상태 초미세 분할 주파수인 단일 정의 물리적 상수에 따라 달라진다.hfs 미터기는 두 번째와 추가로 정의된 물리적 상수인 빛 c의 속도에 따라 달라진다. 킬로그램이 이런 식으로 재정의되면서 IPK와 같은 물리적 물체는 더 이상 정의의 일부가 아니라 전달 표준이 된다.

키블 균형과 같은 척도는 또한 질량 표준에 특히 바람직한 성질을 가진 재료를 선택하는 데 있어 더 많은 유연성을 허용한다. 예를 들어 Pt-10Ir은 새로 생성된 질량 표준의 비중도 기존 국가 기본 및 점검 표준(제21.55g/ml)과 동일하도록 계속 사용할 수 있다. 이것은 공기 중에서 질량 비교를 할 때의 상대적 불확실성을 감소시킬 것이다. 또는 안정성이 더 높은 질량 표준을 생산한다는 목표를 가지고 완전히 다른 재료와 구조를 탐구할 수 있다. 예를 들어, 오스뮴-이리듐 합금은 (VOCs 및 탄화수소 기반 세척 용제의 강직화로 인한) 백금의 수소 흡수 성향과 대기 수은이 불안정의 원인인 것으로 판명된 경우 조사할 수 있다. 또한 질화수소 같은 증기가 퇴화된 보호 세라믹 코팅은 이러한 새로운 합금을 화학적으로 격리시키는 데 적합한지 조사할 수 있다.

키블 잔액에 대한 도전은 불확실성을 줄이는 것뿐만 아니라 킬로그램의 실제적인 실현에도 있다. 키블 잔액의 거의 모든 측면과 그 지원 장비는 원자 시계와 같은 장치와 달리, 현재 각국이 그들의 운용에 자금을 대는 것을 선택할 정도로 매우 정밀하고 정확한 최첨단 기술을 요구한다. 예를 들어, NIST의 키블 밸런스는 2007년에 4개의 저항 표준을 사용했으며, 각각은 메릴랜드주 가이테르스부르크에 있는 NIST 본부 시설의 다른 부분에서 교정을 받은 후 2주에서 6주마다 키블 밸런스를 통해 회전되었다. 교정 후 저항 기준을 복도 아래로 이동하기만 해도 10ppb(10μg에 상당) 이상의 값이 변경된 것으로 나타났다.[15] 현재의 기술은 2년 단위의 교정 간에 키블 잔액의 안정적 운용을 허용하기에 불충분하다. 새로운 정의가 발효되면, 키블 잔액이 처음에 세계에서 몇 개(최대)만 운용될 가능성이 높다.

킬로그램 재구성을 위한 대안적 접근법

1.85487(14)×10과13 같은 간결한 형태에서 괄호 사이의 자릿수는 유의미하지 않은 자릿수의 동일한 숫자로 하나의 표준 편차(1㎛, 신뢰도 68%)에서의 불확실성을 나타낸다.

키블 균형과 근본적으로 다른 킬로그램의 정의를 위한 몇 가지 대안적 접근방식은 버려진 채 다양한 정도로 탐구되었다. 특히 아보가드로 프로젝트는 키블 밸런스 방식과 일관되고 독립적인 플랑크 상수를 정확하게 측정할 수 있도록 해 2018년 재정비 결정에 중요했다.[16] 대안적 접근법은 다음과 같다.

원자 카운팅 접근법

아보가드로 프로젝트

ACPO(Australian Centre for Precision Optics, Acim Leistner)의 아킴 라이스트너는 아보가드로 프로젝트를 위해 1kg의 단결정 실리콘 구를 보유하고 있다. 세계에서 가장 둥글게 만들어진 물체들 중, 지구의 크기로 크기가 조정된 이 구는 "바다 수위"에서 불과 2.4미터의 높은 지점을 가질 것이다.[Note 2]

국제 아보가드로 조정의 아보가드로 프로젝트라고 알려진 또 다른 아보가드로 상수 기반 접근법은 킬로그램이 실리콘 원자의 93.6mm 직경의 구체라고 정의하고 기술할 것이다. 실리콘이 선정된 것은 반도체 산업에 서비스를 제공하기 위한 Czochralski 공정인 무결함 초순도 단결정 실리콘을 만드는 성숙한 기술을 가진 상업 인프라가 이미 존재하기 때문이다.

킬로그램의 실질적인 실현을 위해 실리콘 대로(봉 모양의 단결정 잉곳)가 생산될 것이다. 그것의 동위원소 구성은 질량 분광계로 측정되어 평균 상대 원자 질량을 결정할 것이다. 그 대로들은 잘라서 갈아서 구를 닦을 것이다. 선택된 구의 크기는 광학 간섭계를 사용하여 반지름에서 약 0.3 nm의 불확실성(대략 단일 원자 층)으로 측정될 것이다. 결정 구조에서 원자 사이의 정확한 격자 간격(오후 192pm)은 X선 간섭계를 스캔하여 측정한다. 이것은 그것의 원자 간격을 10억분의 3의 불확실성으로 결정하도록 허용한다. 구의 크기, 평균 원자 질량 및 원자 간격을 알 수 있는 경우, 필요한 구 직경은 1kg의 목표 질량까지 마무리할 수 있도록 충분한 정밀도와 낮은 불확실성으로 계산할 수 있다.

아보가드로 프로젝트의 실리콘 구체에서 진공, 부분 진공 또는 주변 압력에 저장했을 때 질량이 가장 안정적인지 여부를 결정하기 위한 실험을 하고 있다. 그러나 질량의 가장 민감하고 정확한 측정은 BIPM의 FB-2 유동성-스트립 균형(아래 § 외부 링크 참조)과 같은 이중 팬 균형으로 이루어지기 때문에 IPK보다 더 나은 장기 안정성을 증명할 수 있는 기술적 수단이 현재 존재하지 않는다. 균형은 오직 실리콘 구의 질량과 기준 질량의 질량을 비교할 수 있을 뿐이다. IPK와 그 복제본에 대한 장기적 질량 안정성의 결여에 대한 최근의 이해를 고려할 때, 비교할 수 있는, 완전히 안정된 질량 요소는 알려져 있지 않다. 자연의 불변성에 비례하여 무게를 측정하는 단판 척도는 10억분의 10~20분의 필요한 장기 불확실성에 정밀하지 않다. 실리콘이 산화돼 이산화규소(쿼츠)와 일산화탄소(일산화탄소)의 얇은 층(5~20개의 실리콘 원자와 동일)을 형성하는 것도 극복해야 할 문제다. 이 층은 구의 질량을 약간 증가시키며, 구를 완성된 크기로 연마할 때 반드시 설명되어야 하는 효과다. 산화는 백금이나 이리듐의 문제가 아니며, 두 가지 모두 대략 산소처럼 음극성이 있는 고귀한 금속이므로 실험실에서 그렇게 하도록 구슬려 놓지 않으면 산화하지 않는다. 실리콘-sphere 질량 프로토타입에 얇은 산화층이 존재하면 층의 두께나 산화 방지 계량법 변경을 피하기 위해 이를 청소하는 데 적합할 수 있는 절차에 추가 제약을 가한다.

모든 실리콘 기반 접근법은 아보가드로 상수를 고정시키지만 킬로그램의 정의에 대한 세부 사항은 다양하다. 한 가지 접근방식은 실리콘의 자연 동위원소 3개가 모두 존재하는 실리콘을 사용할 것이다. 실리콘의 약 7.78%는 두 개의 무거운 동위원소로 구성된다. 29Si와 Si. 아래 § Carbon-12에서 설명한 바와 같이, 이 방법은 아보가드로 상수를 고정함으로써 일정 수의 C 원자에 대한 킬로그램의 크기를 정의할 것이다. 실리콘 구체는 실질적인 실현이 될 것이다. C에 상대적인 세 개의 실리콘 핵종의 질량이 매우 정밀하게 알려져 있기 때문에 이 접근방식은 킬로그램의 크기를 정확하게 설명할 수 있다(1ppb 이상의 상대적 불확실성). 실리콘 구체 기반 킬로그램을 만드는 대안적인 방법은 상대 원자 질량이 27.9769265325(19)인 거의 순수한 Si가 될 때까지 실리콘을 풍부하게 하기 위해 동위원소 분리 기법을 사용할 것을 제안한다.[17] 이 접근법으로 아보가드로 상수는 고정될 뿐만 아니라 시 원자 질량도 고정될 것이다. 이와 같이, 이 킬로그램의 정의 12C에서와 킬로그램을 대신.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .d으로 정의될 것 벗어날 것이다.En{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output 28Si(28Si의 원자로≈ 35.74374043 고정 두더지)의 6.02214179×1023 원자 ⋅ .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1000/27.9769265325. 물리학자들은 킬로그램 시제품이 천연 실리콘으로 만들어졌을 때에도 Si의 관점에서 킬로그램의 정의를 내릴 수 있었다. 이론적으로 순수한 Si에 기초한 킬로그램의 정의라도, 거의 순수한 Si로 만들어진 실리콘-sphere 프로토타입은 표면 산화물의 영향뿐만 아니라 다양한 화학적 및 동위원소 불순물을 보상하기 위해 반드시 실리콘의 정의된 몰수에서 약간 벗어나게 될 것이다.[18]

탄소-12

실제 실현을 제공하지는 않지만, 이 정의는 특정 수의 탄소-12 원자에 대해 킬로그램의 크기를 정밀하게 정의할 것이다. 탄소-12(12C)는 탄소의 동위원소다. 두더지는 현재 "탄소형 12그램의 원자 수와 동일한 실체(원자나 분자와 같은 원소 입자)의 양"으로 정의된다. 따라서 현재 몰의 정의에 따르면 C의 1000/12 몰(83+1/3 mol)은 정확히 1 킬로그램의 질량을 가져야 한다. 아보가드로 상수로 알려진 양인 몰에 있는 원자의 수는 실험적으로 결정되며, 그 값에 대한 현재 최선의 추정치는 몰당 6.02214076×1023 실체다.[19] 이 새로운 킬로그램의 정의는 아보가드로 상수를 정확히 6.02214X×10몰로23−1 고정하는 것을 제안했고 킬로그램은 "C의 1000/12 14 6.02214X23×10 원자와 동일한 질량"으로 정의되었다.

아보가드로 상수의 측정값 정확도는 현재 플랑크 상수의 값의 불확실성에 의해 제한된다. 그러한 상대적 표준 불확실성은 2006년 이후 10억 개당 50ppb이다. 아보가드로 상수를 고정함으로써, 이 제안의 실질적인 효과는 C 원자 질량의 불확실성과 킬로그램의 크기가 플랑크 상수의 현재 50ppb 불확실성보다 나을 수 없다는 것이다. 이 제안에 따르면, 킬로그램의 크기는 플랑크 상수 값에 대한 개선된 측정치를 사용할 수 있게 되어 향후 개선될 수 있을 것이다. 킬로그램의 전자적 실측값은 필요에 따라 다시 보정될 것이다. 반대로 플랑크 상수를 정밀하게 고정하는 킬로그램(이하 § 전자적 접근법, 이하 § 전자적 접근법 참조)의 전자적 정의는 계속하여 83+1/3 몰의 질량이 정확히 1kg이 되도록 허용하지만, 점을 구성하는 원자의 수(아보가드로 상수)는 향후의 정교화를 계속 받게 될 것이다.

C 기반 정의에 대한 변동은 아보가드로 상수를 정확하게3 84446889(상호 6.02214162×1023) 원자로 정의할 것을 제안한다. 12그램 질량 프로토타입의 가상 현실화는 한쪽에 걸쳐 정확하게 8444689개의 원자를 측정하는 C 원자의 입방체일 것이다. 이 제안으로 킬로그램은 "844468893 × 83+1/3 원자의 질량"[20][Note 3]으로 정의될 것이다.

이온 축적

또 다른 아보가드로 기반 접근 방식인 이온 축적은 폐기된 이후 요구 시 새로운 금속 시제품을 정밀하게 만들어 킬로그램의 가치를 정의하고 기술화했을 것이다. 금이나 비스무트 이온(전자에서 벗겨낸 아톰)을 축적해 이온을 중화시키는 데 필요한 전류를 측정해 세는 방법으로 그렇게 했을 것이다. 금(197Au)과 비스무트(209Bi)는 안전하게 취급할 수 있고 안정(금) 또는 효과적으로 (비즈무스)하는 단핵성 원소 중에서 두 개의 가장 높은 원자 질량을 가질 수 있기 때문에 선택되었다.[Note 4] 핵종 표도 참조하십시오.

예를 들어, 킬로그램의 금에 기초한 정의로, 금의 상대적 원자 질량은 현재 값 196.9665687(6)에서 정확히 196.9665687로 고정될 수 있었다. 탄소-12에 기초한 정의와 마찬가지로 아보가드로 상수도 고정되었을 것이다. 그 후 킬로그램은 "정확히 1000/196.9665687 ⋅ 6.02214179×1023 원자의 질량과 동일한 질량"(정확히 3,057,443,620,887,933,963,384,315 원자의 금 또는 약 5.07700371개의 고정 몰)로 정의되었을 것이다.

2003년 독일의 10μA 전류에서 금을 사용한 실험에서 상대적 불확실성은 [22]1.5%로 나타났다. 비스무트 이온과 30mA의 전류를 이용한 후속 실험은 6일 동안 30g의 질량이 축적되고 상대적 불확실성이 1ppm 이상일 것으로 예상됐다.[23] 궁극적으로, 이온누적 접근법은 부적합한 것으로 판명되었다. 측정은 수개월이 필요했고 데이터는 IPK에 대한 향후 대체 가능한 것으로 간주하기에는 너무 불규칙한 것으로 판명되었다.[24]

이온전류기기의 많은 기술적 문제들 중 하나는 충분히 높은 이온전류(질량증착률)를 얻는 동시에 이온을 감속하여 밸런스팬에 내장된 표적 전극에 모두 침전할 수 있게 하는 것이었다. 금으로 실험한 결과, 이온은 가래침을 피하기 위해 매우 낮은 에너지로 감속해야 한다는 것이 밝혀졌다. 즉, 이미 계산된 이온이 대상 전극에서 리코칭되거나 심지어 이미 퇴적된 원자가 이탈하는 현상이다. 2003년 독일 실험에서 축적된 질량 분율은 약 1 eV(금의 경우 1 km/s) 미만의 이온 에너지에서만 100%에 매우 근접했다.[22]

만약은 킬로그램 단위 금, 비스무트 원자의 정확한 수량 전기 전류가 통하고,이라고 정의되어 왔다 뿐만 아니라 아보가드로와 금, 비스무트의 원자 질량 상수가 정확하게라 전기 소량(e)의 값, 1.60217X×10−19 C(1.6021의 현재 권장 값에서 할 가능성이 높은 고정해야 할까.766년34×10−19 C[25]). 그렇게 하면 암페어를 전기 회로의 고정점을 지나 초당 1/1.60217X×10−19 전자의 흐름으로 효과적으로 정의했을 것이다. 질량의 SI 단위는 아보가드로 상수와 기본 전하의 값을 정밀하게 고정하고 비스무트와 금 원자의 원자 질량이 자연의 불변, 보편적인 상수라는 사실을 이용하여 완전히 정의되었을 것이다.

새로운 질량 표준을 만드는 속도가 느리고 재현성이 떨어지는 것을 넘어, 이온 축출 기반 기법이 실제 실현되는 데 만만치 않은 장애물임이 입증된 이온 축출 접근법에는 다른 본질적인 단점이 있었다. 기기는 반드시 증착실이 일체형 밸런스 시스템을 갖추어 단일 내부 이온 퇴적 시제품에 비해 합리적인 양의 전달 표준을 편리하게 교정할 수 있도록 해야 했다. 더욱이 이온 증착 기술에 의해 생산된 대량 시제품은 현재 사용 중인 프리스탄딩 백금 이리듐 프로토타입과 다를 바 없으며, 장치에 통합된 특수 균형의 팬 하나에 전극이 삽입되어 일부가 되었을 것이다. 더구나 이온 퇴적질량에는 현재의 프로토타입처럼 힘차게 닦을 수 있는 단단하고 고도로 광택이 나는 표면이 없었을 것이다. 금은 밀도가 높고 고귀한 금속(산화 및 다른 화합물의 형성에 대한 저항성)이 매우 부드러우므로 내부 금 시제품은 오염과 오염을 제거해야 하는 마모를 방지하기 위해 잘 격리되고 세심하게 청결해야 한다. 비스무트(bismuth)는 저온 솔더에 사용되는 값싼 금속으로 실온 공기에 노출되면 서서히 산화해 다른 화학성분을 형성하기 때문에 진공이나 불활성 대기에서 지속적으로 유지되지 않는 한 안정적인 기준질량을 생성하지 않았을 것이다.

암페어 기반 힘

액체 질소로 목욕된 초전도체 위에 떠 있는 자석은 마이스너 효과를 통해 완벽한 직경 부양을 보여준다. 킬로그램에 대한 암페어 기반 정의를 사용한 실험은 이 배치를 거꾸로 뒤집었다: 전기장이 고정 자석에 의해 지지되는 초전도 시험 질량을 가속했다.

이 접근 방식은per-metre에 무시할 수 있는 원형 단면의 무한한 길이 2개의 곧은 병렬의 도체 사이에 받는 정확하게2×10−7 2에 가속이 대량으로, 1미터 떨어져 진공에서 1위를 차지,1/1.60217×10^−19 초등 charg의 연구하여 흐름은 상수 전류는 1킬로그램을 정의할 것이다.에스당 제2의

사실상 이것은 암페어를 킬로그램의 파생상품으로 규정하는 현재의 관계가 아니라 암페어의 파생상품으로 규정할 것이다. 킬로그램의 이 재정의 경우 현재 권장 값인 1.602176634−19×10 C가 아닌 정확히 1.60217×10^−19 쿨롱으로 기본 전하(e)를 명시할 것이다.[25] 암페어(초당 1쿨롬브)도 전기 회로의 특정 지점을 통과하는 초당 정확한 양의 기본 전하의 전류가 될 것이다. 이 정의에 기초한 실제 실현의 미덕은 실험실 중력의 신중한 특성을 요구하는 키블 균형 및 기타 척도 기반 방법과는 달리, 이 방법은 질량의 특성을 정의하는 바로 그 용어로 킬로그램의 크기를 직접 기술한다는 것이다: 응용에 의한 가속.강한 힘 불행히도 가속화된 질량을 바탕으로 실제적인 실현을 개발하는 것은 매우 어렵다. 일본에서 수년간 초전도성을 가진 실험에서 30g의 질량이 직경부하에 의해 지지되는 질량은 백만분의 10ppm 이상의 불확실성을 달성한 적이 없다. 자기 이력서는 제한적인 문제들 중 하나였다. 다른 그룹들은 질량을 상승시키기 위해 다른 기법을 사용하는 유사한 연구를 수행했다.[26][27]

메모들

  1. ^ 달리 명시되지 않은 한 이 글의 다른 모든 허용오차 및 불확실성과 마찬가지로, 이러한 측정의 조합된 상대 표준 불확도(CRSU)는 1 표준 편차(1㎛)로, 이는 약 68%의 신뢰 수준에 해당한다. 즉, 측정값의 68%가 명시된 허용오차에 해당한다.
  2. ^ 사진에 표시된 구체는 50nm의 원근도 값(반경의 피크 대 계곡)이다. ACPO에 따르면, 그들은 35 nm의 원외선으로 그것을 개선했다. 93.6mm 직경의 구체에서 35nm(평균에서 ±17.5nm의 이탈)의 원형은 분수 원형( (∆/r) = 3.7×10이다−7. 지구 크기에 맞춰, 이것은 해수면 2.4m에서의 최대 편차에 해당한다. 이 ACPO 구의 원형도는 1990년대 후반에 제조되어 스탠포드 대학의 W.W. 한센 실험 물리학 연구소에서 최종 수치를 얻은 중력 탐침 B에 비행한 4개의 융합 사분위수 자이로스코프 로터 중 2개 만으로 초과된다. 특히 '자이로4'는 세계에서 가장 둥글게 만들어진 물건으로 세계기록(그들의 책에는 없는 그들의 데이터베이스)의 기네스 데이터베이스에 기록되어 있다. 보도(221BoltzmannconstantPDF, 여기 승객을 머신에 2008-02-27 Archived)에 스탠포드 대학의 조사에 탑승 시 4개의 자이로스코프의 GP‑B 공보의 코디네이터, 따르면, 자이로 4는∆r/r=1.8×10−7은 지난해 38.1mm지름의 구,에 3.4±0.4 nm의 완벽한 구체에서 최대 표면 기복이 있다.에 Scaled 지구의 크기, 이것은 북아메리카 대륙의 크기가 천천히 바다 위로 상승하는 편차와 같다(분자층 테라스 11.9cm 높이에서), 네브라스카에서 최대 고도 1.14±0.13m에 도달한 후, 대륙의 반대편 해수면까지 점점 기울어져 내려간다.
  3. ^ 당초 제안은 84446886개의3 탄소-12 원자의 질량으로 킬로그램을 재정의하자는 것이었다.[21] 84446886 값은 특별한 속성을 가지고 있기 때문에 선택되었다; 그것의 큐브(아보가드로 상수에 대해 제안된 새로운 값)는 12로 나누어진다. 따라서 킬로그램의 그 정의로 C: 50184508190229061679538 원자의 1그램에 정수의 원자가 있었을 것이다. 아보가드로 상수의 불확실성은 이 제안이 처음 미국 사이언티스트에 출판을 위해 제출된 이후 상당히 좁혀졌다. 아보가드로 상수(6.022140857(74)×1023)의 2014 CODATA 값은 상대 표준 불확도가 10억분의 12이며, 이 숫자의 큐브 루트는 84446885.41(35)이다. 즉, 불확실성 범위 내에 정수가 없다.
  4. ^ 최초의 금괴 실험이 시행된 같은 해인 2003년에 물리학자들은 비스무트의 유일한 자연발생 동위원소인 비(Bi)가 실제로 매우 약간 방사능이 있다는 것을 발견했는데, 자연발생 원소 중 가장 오래 알려진 방사성 반감기는 알파 방사선을 통해 해독되는 것으로 알려져 있다. (1918±2)×10년의 반감기. 이것이 우주연령의 14억 배인 만큼, 비(Bi)는 대부분의 실용적인 응용을 위한 안정적 동위원소(핵생성학, 지리학 등의 학문과 무관한 것)로 간주된다. 다시 말해 45억6700만년 전 지구에 존재했던 비스무트의 99.99999983%가 오늘날에도 여전히 존재하고 있다. 오직 두 개의 단핵 원소만이 비스무트보다 무겁고 그 안정성에 접근하는 것은 토륨이다. 오랫동안 원자로에서 우라늄을 대체할 수 있는 것으로 여겨져 온 토륨은 비스무트보다 12억 배 이상의 방사능이 있기 때문에 흡입할 때 암을 유발할 수 있다. 또한 산화 성향이 매우 강하여 가루가 화로포닉성이 있다. 이러한 특성들은 이온-기하 실험에서 토륨을 부적합하게 만든다. 비스무트 동위 원소, 금 동위 원소 및 토륨 동위 원소도 참조하십시오.

참조

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  16. ^ Lim, XiaoZhi (November 16, 2018). "The Kilogram Is Dead. Long Live the Kilogram!". The New York Times. Avogadro's constant and the Planck constant are intertwined in the laws of physics. Having measured Avogadro's constant, Dr. Bettin could derive the Planck constant. And with a precise measure of the Planck constant, he could validate the results of Dr. Kibble's work, and vice versa.
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