Protótipo Internacional do Quilograma - International Prototype of the Kilogram

Uma réplica do quilograma protótipo em exibição na Cité des Sciences et de l'Industrie em Paris , apresentando a campainha de vidro duplo de proteção.

O Protótipo Internacional do Quilograma (referido pelos metrologistas como IPK ou Le Grand K ; às vezes chamado de ur -quilograma, ou urquilograma, particularmente por autores de língua alemã que escrevem em Inglês : 30 ) é um objeto que foi usado para definir o magnitude da massa do quilograma de 1889, quando substituiu o Kilogram des Archives , até 2019, quando foi substituído por uma nova definição do quilograma baseada em constantes físicas . Durante esse tempo, o IPK e seus duplicados foram usados ​​para calibrar todos os outros padrões de massa de quilograma na Terra.

O IPK é um objeto do tamanho 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. A adição de 10% de irídio melhorou em relação ao kilogram des Archives todo em platina, aumentando muito 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 densa que a água ), condutividades elétrica e térmica satisfatórias e baixa suscetibilidade magnética . 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 Brileteu do BIPM em Saint-Cloud nos arredores de Paris (ver imagens externas , abaixo, para fotos). Três chaves controladas de forma independente 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, proporcionando rastreabilidade das medições locais de volta ao IPK.  

Criação

A Convenção do Medidor foi assinada em 20 de maio de 1875 e formalizou o sistema métrico (um predecessor do SI ), levando rapidamente à produção do IPK. O IPK é um dos três cilindros feitos 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. Em 1883, a massa do IPK foi considerada ser indistinguível daquele do Kilogram des Archives feito oitenta e quatro anos antes, e foi formalmente ratificado como o quilograma pela 1ª CGPM em 1889.

Cópias do IPK

Protótipo nacional do quilograma K20, um dos dois protótipos armazenados no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos em Gaithersburg, Maryland , que servem como padrões primários 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 dois frascos de sino.

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, qualquer mudança na massa do IPK ao longo do tempo pode ser deduzida comparando sua massa com a de suas cópias oficiais armazenadas em todo o mundo, um processo raramente realizado denominado "verificação periódica". As únicas três verificações ocorreram em 1889, 1948 e 1989. Por exemplo, os EUA possuem cinco padrões de 90% de platina / 10% de  irídio (Pt-10Ir) quilogramas, dois dos quais, K4 e K20, são do lote original de 40 réplicas entregues em 1884. O protótipo K20 foi designado como o principal padrão nacional de massa para os EUA. Ambos, assim como os de outras nações, são periodicamente devolvidos ao BIPM para verificação. Grande cuidado é tomado ao transportar protótipos. Em 1984, os protótipos K4 e K20 foram transportados à mão na seção de passageiros de aviões comerciais separados.

Observe que nenhuma das réplicas tem uma massa precisamente igual à do IPK; suas massas são calibradas e documentadas como valores de deslocamento. Por exemplo, K20, o padrão primário dos Estados Unidos, tinha originalmente uma massa oficial de 1 kg - 39 μg (microgramas) em 1889; ou seja, K20 foi 39  μg menos 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. Bem ao contrário 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 estão sujeitos a arranhões e outros desgastes. O K4 foi originalmente entregue com uma massa oficial de 1 kg - 75 μg em 1889, mas em 1989 foi calibrado oficialmente para 1 kg - 106 μg e dez anos depois tinha 1 kg - 116 μg. Ao longo de um período de 110 anos, o K4 perdeu 41  μg em relação ao IPK.

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

Além do simples desgaste que os padrões de verificação podem experimentar, a massa até mesmo dos protótipos nacionais cuidadosamente armazenados pode variar em relação ao IPK por uma variedade de razões, algumas conhecidas e outras desconhecidas. Como o IPK e suas réplicas são armazenados no ar (embora sob dois ou mais potes de sino aninhados ), eles ganham massa por meio da adsorção da contaminação atmosférica em suas superfícies. Assim, eles são limpos em um processo que o BIPM desenvolveu entre 1939 e 1946 conhecido como "método de limpeza BIPM" 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 permitir os protótipos devem ser resolvidos por 7–10 dias antes da verificação. Antes do relatório do BIPM publicado em 1994 detalhando a mudança relativa na massa dos protótipos, diferentes corpos padrão usavam diferentes técnicas para limpar seus protótipos. A prática do NIST antes disso era embeber e enxaguar seus dois protótipos primeiro em benzeno , depois em etanol e, em seguida, 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 a mais. Após a limpeza - mesmo quando eles estão armazenados em seus frascos de sino - o IPK e suas réplicas imediatamente começam a ganhar massa novamente. O BIPM até desenvolveu um modelo desse ganho e concluiu que era em média 1,11  μg por mês durante os primeiros 3 meses após a limpeza e depois diminuía para uma média de cerca de 1  μg por ano daí em diante. Uma vez que padrões de verificação como K4 não são limpos para calibrações de rotina de outros padrões de massa - uma precaução para minimizar o potencial de desgaste e danos de manuseio - o modelo do BIPM de ganho de massa dependente do tempo foi usado como um fator de correção "após 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 grande parte de todo o conjunto mundial de protótipos tem vagarosamente, mas inexoravelmente, divergindo um do outro. Também está claro que o IPK perdeu talvez 50  μg de massa no século passado, e possivelmente significativamente mais, em comparação com suas cópias oficiais. A razão para essa variação 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. 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 "em relação a um invariante da natureza é desconhecida em um nível abaixo de 1000  μg ao longo de um período de 100 ou mesmo 50 anos ". 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 ganhou, como um grupo, uma média de cerca de 25  μg em cem anos em comparação com o IPK.

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 após a limpeza. A razão exata para esta instabilidade de curto prazo não é compreendida, mas acredita-se que acarrete 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 lentamente se depositam nos protótipos também como os solventes à base de hidrocarbonetos usados ​​para limpá-los.

Foi possível descartar muitas explicações das divergências observadas nas massas dos protótipos do mundo propostas por cientistas e pelo público em geral. O FAQ do BIPM explica, por exemplo, que a divergência depende da quantidade de 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 ambiente. 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 quilogramas de protótipos sugeriram que uma fonte da divergência entre os vários protótipos pode ser rastreada até o mercúrio que foi absorvido pelos protótipos estar na proximidade de instrumentos à base de mercúrio. O IPK foi armazenado a centímetros de um termômetro de mercúrio desde pelo menos o final dos anos 1980. Neste trabalho da Universidade de Newcastle, seis pesos de platina feitos no século XIX apresentaram 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 de superfície liso usando o torneamento de diamante em réplicas recém-fabricadas e foi uma das razões para a redefinição do quilograma.

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, eram altamente dependentes da estabilidade de um Cilindro de metal do tamanho de uma bola de golfe de 142 anos armazenado em um cofre na França.

A estabilidade do IPK foi crucial porque o quilograma sustentou grande parte do sistema de medição SI conforme foi definido e estruturado até 2019. 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 do newton. Essa cadeia de dependência segue muitas outras unidades de medida do SI. Por exemplo, o joule , a unidade SI de energia , é definido como aquele gasto quando uma força de um newton atua em um metro . A próxima a ser afetada é a unidade SI de potência , o watt , que é um joule por segundo.

Até maio de 2019, o ampere também era definido em relação ao newton. Com a magnitude das unidades primárias de eletricidade assim determinadas pelo quilograma, seguiram-se muitos outros, a saber, o coulomb , volt , tesla e weber . Mesmo as unidades usadas na medida da luz seriam afetadas; a candela —seguindo a mudança no watt— afetaria por sua vez o lúmen e o lux .  

Como a magnitude de muitas das unidades que compõem o sistema SI de medição foi definida até 2019 por sua massa, a qualidade do IPK foi protegida diligentemente 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 7,6  μg desde a terceira verificação periódica32  anos atrás. Além disso, os laboratórios nacionais de metrologia do mundo devem esperar pela quarta verificação periódica para confirmar se as tendências históricas  persistiram.

Efeitos isolantes de realizações práticas

Felizmente, as definições das unidades do SI são bastante diferentes de suas realizações práticas . Por exemplo, o metro é definido como a distância que a luz viaja no vácuo durante um intervalo de tempo de 1299.792.458 de segundo. No entanto, a realização prática do metro normalmente assume a forma de um laser de hélio-néon, e o comprimento do metro é delineado - não definido - como1 579 800 0,298 728 comprimentos de onda da luz deste laser. Agora, suponha que a medição oficial do segundo tenha desviado algumas partes por bilhão (na verdade, é extremamente estável com uma reprodutibilidade de algumas partes em 10 15 ). 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 realizando calibrações de medidores simplesmente continuariam a medir o mesmo número de comprimentos de onda do laser até que um acordo fosse alcançado para fazer o contrário. O mesmo é verdade no que diz respeito à dependência do quilograma no mundo real: se a massa do IPK fosse levemente alterada, não haveria nenhum efeito automático sobre as outras unidades de medida porque suas realizações práticas fornecem uma camada isolante de abstração. Porém, qualquer discrepância teria que ser reconciliada, porque a virtude do sistema SI é sua harmonia matemática e lógica precisa entre suas unidades. Se o valor do IPK tivesse sido definitivamente provado como tendo mudado, uma solução teria sido simplesmente redefinir o quilograma como sendo igual à massa do IPK mais um valor de deslocamento, similar ao que tinha sido feito anteriormente com suas réplicas; por exemplo, "o quilograma é igual à massa do IPK + 42 partes por bilhão " (equivalente a 42  μg).

A solução de longo prazo para este problema, no entanto, foi liberar a dependência do sistema SI do IPK, desenvolvendo uma realização prática do quilograma que pode ser reproduzido 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 . Enquanto a maior parte do sistema SI ainda se baseia no quilograma, o quilograma agora é baseado em constantes universais invariáveis ​​da natureza.

Referências

Notas

links externos

Imagens externas
ícone de imagemBIPM: o IPK em três frascos de sino aninhados
ícone de imagemNIST: K20, o quilograma de protótipo nacional dos EUA apoiado em um painel de luz fluorescente de caixa de ovo
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 feita na Áustria, foi usada pelo NIST de 1945 a 1960
ícone de imagemBIPM: A balança de faixa flexível FB-2 , a balança de precisão moderna do BIPM com um desvio padrão de um décimo bilionésimo de um 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

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