Światło jako narzędzie albo obiekt pomiarowy Spektroskopowy pomiar czystości monokryształu krzemu oraz interferometryczny pomiar przemieszczenia cewki w prądowej wadze wata jako przykłady wykorzystania światła w dziedzinie masy Rafał L. Ossowski Laboratorium Masy Głównego Urzędu Miar 18 marca 2015
Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? Do niedawna panny do wzięcia metody wyznaczania stałej Plancka i stałej Avogadry Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy Nieunikniona detronizacja Le Grand K plany do 2018 roku i kilka słów podsumowania Dla głodnych wiedzy bibliografia, publikacje i interesujące adresy www 2/46
Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 3/46
Długość - 1 metr (m) od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 4/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 5/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Fot. BIPM Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 6/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Czas - 1 sekunda (s) od 1967 równa 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S 1/2 atomu cezu 133 Cs Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 7/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Czas - 1 sekunda (s) od 1967 równa 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S 1/2 atomu cezu 133 Cs Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi Fot. OA 8/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Czas - 1 sekunda (s) od 1967 równa 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S 1/2 atomu cezu 133 Cs Fot. OA Natężenie prądu elektrycznego - 1 amper (A) 1 amper to niezmieniający się prąd elektryczny, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą 2 10-7 N na każdy metr długości przewodu Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 9/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Czas - 1 sekunda (s) od 1967 równa 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S 1/2 atomu cezu 133 Cs Fot. OA Natężenie prądu elektrycznego - 1 amper (A) 1 amper to niezmieniający się prąd elektryczny, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, e = 1.602 umieszczonych 176 565(35) w próżni xw 10 odległości -19 C 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą 2 10-7 N na każdy metr długości przewodu Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 10/46
Długość - 1 metr (m) c = 299 792 458 m s -1 od 1983 - odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s Czas - 1 sekunda (s) od 1967 równa 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego S 1/2 atomu cezu 133 Cs Fot. OA Natężenie prądu elektrycznego - 1 amper (A) 1 amper to niezmieniający się prąd elektryczny, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, e = 1.602 umieszczonych 176 565(35) w próżni xw 10 odległości -19 C 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą 2 10-7 N na każdy metr długości przewodu Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 11/46
Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 12/46
Temperatura - 1 kelwin (K) od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 13/46
Temperatura - 1 kelwin (K) k = 1.380 6488(13) x 10-23 J K -1 od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 14/46
Temperatura - 1 kelwin (K) k = 1.380 6488(13) x 10-23 J K -1 od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Fot. OA Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 15/46
Temperatura - 1 kelwin (K) k = 1.380 6488(13) x 10-23 J K -1 od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Światłość - 1 kandela (cd) to światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4 10 14 Hz i wydajności energetycznej w tym kierunku równej 1/683 W/sr. Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 16/46
Temperatura - 1 kelwin (K) k = 1.380 6488(13) x 10-23 J K -1 od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Światłość - 1 kandela (cd) to światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4 10 14 Hz i wydajności energetycznej w tym kierunku równej 1/683 W/sr. Fot. OA Fot. OA Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 17/46
Temperatura - 1 kelwin (K) k = 1.380 6488(13) x 10-23 J K -1 od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Światłość - 1 kandela (cd) to światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4 10 14 Hz i wydajności energetycznej w tym kierunku równej 1/683 W/sr. Fot. OA Liczebność materii - 1 mol (mol) to liczność materii układu równa liczbie atomów zawartych w dokładnie 0,012 kilograma izotopu węgla 12 C Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 18/46
Temperatura - 1 kelwin (K) k = 1.380 6488(13) x 10-23 J K -1 od 1967 równy 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody Światłość - 1 kandela (cd) to światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4 10 14 Hz i wydajności energetycznej w tym kierunku równej 1/683 W/sr. Fot. OA Liczebność materii - 1 mol (mol) to liczność materii układu równa liczbie atomów zawartych w dokładnie 0,012 kilograma izotopu węgla N 12 C A = 6.022 141 29(27) x 10 23 mol -1 Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 19/46
Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 20/46
Masa - 1 kilogram (kg) od 1889 równy masie PROTOTYPU - Międzynarodowego Wzorca Kilograma IPK Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 21/46
Masa - 1 kilogram (kg) od 1889 równy masie PROTOTYPU - Międzynarodowego Wzorca Kilograma IPK h = 6.626 069 57(29) x 10-34 J s Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 22/46
Masa - 1 kilogram (kg) od 1889 równy masie PROTOTYPU - Międzynarodowego Wzorca Kilograma IPK h = 6.626 069 57(29) x 10-34 J s N A = 6.022 141 29(27) x 10 23 mol -1 Fot. BIPM Małżeństwo z rozsądku czyli podstawowe jednostki układu SI w związku ze stałymi fizycznymi 23/46
Niepokojące wnioski z porównań kluczowych (1889, 1946 i 1989) BIPM dryft 50 µg!? Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 24/46
Niepokojące wnioski z porównań kluczowych (1889, 1946 i 1989) BIPM dryft 50 µg!? Czy i dlaczego prototyp kilograma chudnie? Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 25/46
Niepokojące wnioski z porównań kluczowych (1889, 1946 i 1989) BIPM dryft 50 µg!? Czy i dlaczego prototyp kilograma chudnie? Czy jesteśmy już gotowi do odejścia od materialnego wzorca? Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 26/46
Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 27/46
Wniosek na 23 Generalnej Konferencji Miar CGPM 2007 (General Conference on Weight and Measures) Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 28/46
Wniosek na 23 Generalnej Konferencji Miar CGPM 2007 (General Conference on Weight and Measures) Decyzja - 24 Generalna Konferencja Miar CGPM 2011 Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 29/46
Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 30/46
Niepewnością względną h nie większą niż 5 10-8 Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 31/46
Niepewnością względną h nie większą niż 5 10-8 Spójność stałej Plancka i stałej Avogadro na poziomie ufności 95 % Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 32/46
Niepewnością względną h nie większą niż 5 10-8 Spójność stałej Plancka i stałej Avogadro na poziomie ufności 95 % Potwierdzić identyfikowalność prototypów BIPM z IPK Źródło. BIPM Redefinicja jednostki masy czy aby na pewno potrzebna? 33/46
Ważenie na wysokim poziomie - waga wata/waga joula m gv = x I s U k m x = h A gv Źródło: NPL Do niedawna panny do wzięcia metody wyznaczania stałej Plancka i stałej Avogadry 34/46
porządek chronologiczny Do niedawna panny do wzięcia metody wyznaczania stałej Plancka i stałej Avogadry 35/46
Prawdopodobnie najbardziej okrągły przedmiot na świecie kula krzemowa 28 Si m( 28 Si) m s = h N h N = A VSi a 3 ( 28 Si) Fot. PTB N = N A m s M Do niedawna panny do wzięcia metody wyznaczania stałej Plancka i stałej Avogadry 36/46
Rok publikacji wyników Do niedawna panny do wzięcia metody wyznaczania stałej Plancka i stałej Avogadry 37/46
Interferometryczny pomiar przemieszczenia cewki w wadze joula (NIM) Źródło: Meas. Sci. Technol. 25 (2014) 064003 (6pp) Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy 38/46
Interferometryczny pomiar przemieszczenia cewki w wadze wata (BIPM) Fot. BIPM Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy 39/46
Interferometryczny pomiar objętości kuli krzemowej 28 Si Źródło: URN (Paper): urn:nbn:de:gbv:ilm1-2011iwk-067:0 Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy 40/46
Interferometryczny pomiar objętości kuli krzemowej 28 Si Źródło: URN (Paper): urn:nbn:de:gbv:ilm1-2011iwk-067:0 Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy 41/46
Interferometryczny pomiar objętości kuli krzemowej 28 Si Źródło: Metrologia (2011), Vol: 48 Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy 42/46
Spektroskopowy obraz czystości powierzchni kuli krzemowej 28 Si analiza obecności tlenku krzemu (PTB) 2,0 nm SiO 2 4,5 nm SiO 2 Źródło: URN (Paper): urn:nbn:de:gbv:ilm1-2011iwk-067:0 Światło w służbie jej Królewskiej Mości interferometria i spektroskopia dla masy 43/46
Źródło: BIPM Nieunikniona detronizacja Le Grand K plany do 2018 roku i kilka słów podsumowania 44/46
* Mills I. M., Mohr P. J., Quinn T. J., Taylor B. N., Williams E. R.: Redefinition of the kilogram: a decision whose time has come. Metrologia 42 (2005) 71-80. * Davis R.: The SI unit of mass. Metrologia 40 (2003) 299-305. * Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM): Report of the 12th meeting (26 March 2010) to the International Committee for Weights and Measures. Bureau International des Poids et Mesures, Sevres. * Resolutions adopted by the General Conference on Weights and Measures (24th meeting), Paris, 17-21 October 2011 * Stock M.: Watt balance experiments for the determination of the Planck constantand the redefinition of the kilogram. Metrologia 50 (2013) R1-R16. * Mohr P. J., Taylor B. N., Newell D. B.: CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2010. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899-8420, USA. * Davis R.: The role of the international prototype of the kilogram after redefinition of the International System of Units. Phil. Trans. R. Soc. A, 201, 369 3975-3992, or something similar. * Abbott P. J., Kubarych Z. J.: The New Kilogram Definition and its Implications for High-Precision Mass Tolerance Classes. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 118 (2013) 353-358. * www.bipm.org Dla głodnych wiedzy bibliografia, publikacje i interesujące adresy www 45/46
Dziękuję za uwagę! Fot. PTB