Nové definice SI: Porovnání verzí
Smazaný obsah Přidaný obsah
m →Mol: úprava rovnice, 6 -> šesti |
převod do min. času, odstranění příslušné šablony značka: editace z Vizuálního editoru |
||
Řádek 1:
[[Soubor:Standard kilogram, 2.jpg|náhled|Mezinárodní prototyp kilogramu bude už jen historickým artefaktem. (Na snímku je kopie č. 4 v [[Národní institut standardů a technologie|NIST]], [[Spojené státy americké|USA]].)|alt=Černobílá fotografie, kde můžeme vidět prototyp kilogramu postaveném na stolku.]]
[[Mezinárodní výbor pro míry a váhy]] (CIPM) navrhl v roce 2011 změnu definic základních jednotek [[Soustava SI|soustavy SI]]
Protože byly splněny všechny klíčové podmínky požadované pro zavedení (přesnost nových metod realizace etalonů<ref name="Johnston_2016" /> i nová adjustace fundamentálních fyzikálních konstant<ref name="Newell_2017" />), [[Generální konference pro míry a váhy]] (CGPM) schválila změnu definic na svém 26. zasedání ve [[Versailles (Francie)|Versailles]] 16. listopadu 2018.<ref name="CT24_2018">ČT24: Kilogram se scvrkl. Vědci teď změnili jeho definici. [https://ct24.ceskatelevize.cz/veda/2653940-kilogram-se-scvrkl-vedci-ted-zmenili-jeho-definici Dostupné online].</ref><ref name="Kulhánek_2018">{{Citace elektronického periodika
Řádek 30 ⟶ 29:
| url = https://physicsworld.com/a/kilogram-finally-redefined-as-worlds-metrologists-agree-to-new-formulation-for-si-units/
| jazyk = anglicky
}}</ref> Změna
Řada autorů{{Fakt/dne|20190424195745|}}<ref>{{Citace elektronické monografie
Řádek 94 ⟶ 93:
Současná definice kelvinu, jednotky [[termodynamická teplota|termodynamické teploty]], je vázána na pevnou vlastnost přírody: teplotu [[trojný bod|trojného bodu]] [[voda|vody]]. To se zdá být principiálně správné, ale praktická realizace naráží na problémy. Přesná teplota trojného bodu až příliš závisí na chemické čistotě a [[izotop]]ovém složení použité vody. Navíc je technicky obtížné tuto definici používat při velmi nízkých teplotách, blízkých [[absolutní nula|absolutní nule]]. Proto i kelvin má být definován novým způsobem.<ref name="Lázňovský_2011"/><ref name="resolution"/>
Současná definice ampéru (a všech jednotek od něj odvozených) na základě [[magnetické pole|magnetické]] [[síla|síly]] působící mezi nekonečně dlouhými [[Elektrický vodič|vodiči]] s [[elektrický proud|elektrickým proudem]] rovněž naráží na problémy při praktické realizaci. Z toho důvodu už mnoho národních standardizačních úřadů používá etalony elektrických veličin založené na [[kvantový Hallův jev|kvantovém Hallově jevu]] resp. [[Josephsonův jev|Josephsonově jevu]], jejichž [[elektrický odpor]] resp. [[elektrické napětí]] má fyzikálně jednoznačný vztah k hodnotě [[Planckova konstanta|Planckovy konstanty]] a [[elementární náboj|elementárního náboje]].
== Základní idea nových definic ==
V minulosti se velmi osvědčily stávající definice jednotek sekunda a metr. Pouze tyto dvě jednotky zůstanou v novém systému absolutně stejně velké jako dříve. Sekunda je definována na základě vlastností [[atom]]u [[cesium|cesia]], které jsou považovány za zcela stabilní, a v praxi je úspěšně realizována [[atomové hodiny|atomovými hodinami]] (tzv. [[cesiový standard]]). Metr je definován s využitím předchozí definice sekundy na základě pevné hodnoty [[rychlost světla|rychlosti světla]] ve vakuu, která patří mezi základní [[fyzikální konstanty]]. Praktičnost těchto definic motivuje snahu formulovat definice ostatních jednotek stejným způsobem: ''stanovením přesné číselné hodnoty určité fyzikální konstanty''.<ref name="Kulhánek_2018" />
Pro snazší pochopení nového systému a zdůraznění této základní myšlenky
== Volba konstant ==
Definice sedmi základních jednotek vyžaduje stanovit číselné hodnoty vybraných sedmi fyzikálních veličin, které jsou obecně považovány za konstantní. CIPM ve svém návrhu, aktualizovaném začátkem roku 2018,
| příjmení = Newell
| jméno = David B.
Řádek 133 ⟶ 132:
== Znění definic ==
=== Sekunda ===
;Stará definice
:''Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133.''
Později bylo upřesněno, že atom cesia musí být v klidu a teplota pozadí blízká 0 K. Ze [[třetí termodynamický zákon|třetího zákona termodynamiky]] plyne, že teplota absolutní nuly je nedosažitelná. Lze se k ní však libovolně přiblížit. Podmínku nulové termodynamické teploty je třeba chápat tak, že cesiové hodiny musí provádět korekce s ohledem na teplotu pozadí.
Řádek 143 ⟶ 142:
Nová formulace je obsahově zcela shodná se stávající, včetně podmínek pro emisi záření. Neporušeným stavem se rozumí stav izolovaného atomu cesia nenarušený žádným vnějším polem, tedy ani zářením černého tělesa odpovídajícího teplotě okolního prostředí. Časem se rozumí [[vlastní čas]] z pohledu obecné teorie relativity. Nově definované podmínky jsou tak totožné s podmínkami předchozí definice (v klidu při teplotě 0 K). Liší se jen formálně, aby měla stejný formát jako ostatní navrhované definice, čímž vynikne idea, že každá jednotka je svázána s určitou neměnnou vlastností přírody.
Až na formální znění tedy
=== Metr ===
;
:''Metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za dobu 1/299 792 458 sekundy.''
;
{{Citát v rámečku|[[Metr]], značka „m“, je jednotka [[délka|délky]] v SI. Je definována fixací číselné hodnoty [[rychlost světla|rychlosti světla]] ve vakuu ''c'', aby byla rovna 299 792 458, je-li vyjádřena jednotkou m s<sup>−1</sup>, kde sekunda je definována pomocí cesiové frekvence Δ''ν''<sub>Cs</sub>.}}
Také zde jsou obě formulace ekvivalentní. Definicí metru je přesně stanovena [[vlnová délka]] [[mikrovlny|mikrovlnného]] záření, které je uvedeno v definici sekundy, vztahem
Řádek 155 ⟶ 154:
=== Kilogram ===
;
:''Kilogram je jednotka hmotnosti; je rovna hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.''
;
{{Citát v rámečku|[[Kilogram]], značka „kg“, je jednotka [[hmotnost]]i v SI. Je definována fixací číselné hodnoty [[Planckova konstanta|Planckovy konstanty]] ''h'', aby byla rovna 6,626 070 15×10<sup>−34</sup>, je-li vyjádřena jednotkou [[joule|J]] s, rovnou kg m<sup>2</sup> s<sup>−1</sup>, kde metr a sekunda jsou definovány pomocí ''c'' a Δ''ν''<sub>Cs</sub>.}}
Toto
=== Ampér ===
;
:''Ampér je stálý elektrický proud, který protéká dvěma rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči o zanedbatelném průřezu umístěnými ve vakuu 1 m od sebe, jestliže mezi vodiči působí magnetická [[síla]] o velikosti 2×10<sup>−7</sup> [[newton]]u na jeden metr délky vodiče.''
Vyjádřeno jinými slovy: „[[Permeabilita|Permeabilita vakua]] <math>\mu_0</math> má hodnotu přesně <math>4\pi\times 10^{-7}</math> [[henry|H]]/[[metr|m]].“
;
{{Citát v rámečku|[[Ampér]], značka „A“, je jednotka [[elektrický proud|elektrického proudu]] v SI. Je definována fixací číselné hodnoty [[elementární náboj|elementárního náboje]], aby byla rovna 1,602 176 634×10<sup>−19</sup>, je-li vyjádřena jednotkou [[coulomb|C]], rovnou A s, kde sekunda je definována pomocí Δ''ν''<sub>Cs</sub>.}}
Zafixování elementárního náboje a Planckovy konstanty stanovuje přesně také hodnotu Josephsonovy konstanty <math>K_{\mathrm J} = 2e/h \approx 484\,\mathrm{THz/V}</math> a von Klitzingovy konstanty <math>R_{\mathrm K} = h/e^2 \approx 25{,}8\,{\mathrm k\Omega}</math>, které se vyskytují ve vztazích pro [[Josephsonův jev]] resp. [[kvantový Hallův jev]]. Tímto způsobem lze vytvořit etalony [[elektrické napětí|elektrického napětí]] ''U'' a [[elektrický odpor|elektrického odporu]] ''R''. Realizace ampéru je pak založena na aplikaci [[Ohmův zákon|Ohmova zákona]] <math>I=U/R</math>. Druhou možností je využití jednoelektronové pumpy s přesným taktováním, čímž by byl uzavřen tzv. [[metrologický trojúhelník]].{{#tag:ref|Jednoelektronové pumpy s laditelným taktováním se realizují polovodičovými přechody<ref name="Giblin_2017">{{Citace elektronického periodika
Řádek 213 ⟶ 212:
=== Kelvin ===
;
:''Kelvin, jednotka termodynamické teploty, je rovna zlomku 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody.''
;
{{Citát v rámečku|[[Kelvin]], značka „K“, je jednotka [[termodynamická teplota|termodynamické teploty]] v SI. Je definována fixací číselné hodnoty [[Boltzmannova konstanta|Boltzmannovy konstanty]], aby byla rovna 1,380 649×10<sup>−23</sup>, je-li vyjádřena jednotkou [[joule|J]] K<sup>−1</sup>, rovnou kg m<sup>2</sup>s<sup>−2</sup> K<sup>−1</sup>, kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány pomocí ''h'', ''c'' a Δ''ν''<sub>Cs</sub>.}}
Boltzmannova konstanta <math>k</math> je základní konstantou [[statistická fyzika|statistické fyziky]], kde spojuje [[entropie|entropii]] s [[rozdělení pravděpodobnosti|rozdělením pravděpodobnosti]] mikrostavů [[termodynamický systém|systému]]. Jako konstanta úměrnosti se objevuje ve [[stavová rovnice|stavové rovnici]] ideálního [[plyn]]u. Určuje také vztah mezi teplotou plynu a [[kinetická energie|pohybovou energií]] jeho [[molekula|molekul]] ([[ekvipartiční teorém]]). Nová definice kelvinu umožňuje převést měření teploty na měření energie částic, což je v mnoha případech jednodušší, zejména při teplotách extrémně vysokých nebo nízkých.
=== Mol ===
;
:''Mol je látkové množství systému, který obsahuje stejný počet elementárních entit, kolik je atomů v 0,012 kg uhlíku <sup>12</sup>C.''
Tato definice svazuje látkové množství s hmotností. Lze ji vyjádřit slovy: „[[Relativní atomová hmotnost]] uhlíku 12 je přesně 12.“
;
{{Citát v rámečku|[[Mol (jednotka)|Mol]], značka „mol“, je jednotka [[látkové množství|látkového množství]] v SI. Je definována fixací číselné hodnoty [[Avogadrova konstanta|Avogadrovy konstanty]], aby byla rovna 6,022 140 76×10<sup>23</sup>, je-li vyjádřena jednotkou mol<sup>−1</sup>.}}
Z nové definice je více zřejmé, že látkové množství <math>n</math> je veličina zcela nezávislá na ostatních šesti základních veličinách a jednoduše odpovídá počtu <math>N</math> [[částice|částic]] vybraného typu ve vzorku [[látka|látky]] <math>n=\frac{N}{N_{\mathrm A}}</math>.
=== Kandela ===
;
:''Kandela je svítivost zdroje, který vydává monochromatické záření o frekvenci 540×10<sup>12</sup> Hz, jehož intenzita v daném směru je 1/683 wattů na steradián.''
;
{{Citát v rámečku|[[Kandela]], značka „cd“, je jednotka [[svítivost]]i v SI. Je definována fixací číselné hodnoty [[světelná účinnost|světelné účinnosti]] monochromatického záření o frekvenci 540×10<sup>12</sup> Hz, ''K''<sub>cd</sub>, aby byla rovna 683, je-li vyjádřena jednotkou [[lumen|lm]] W<sup>−1</sup>, rovnou cd sr [[watt|W]]<sup>−1</sup>, nebo cd [[steradián|sr]] kg<sup>−1</sup> m<sup>−2</sup> s<sup>3</sup>, kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány pomocí ''h'', ''c'' a Δ''ν''<sub>Cs</sub>.}}
Rozdíl mezi těmito definicemi je pouze ve formulacích. Přesto v novém systému
== Vztahy mezi jednotkami ==
Řádek 241 ⟶ 240:
== Některé důsledky návrhu ==
Normativní určení hodnot vybraných fundamentálních konstant má vliv na další důležité fyzikální konstanty. Některé konstanty a převodní faktory původně zatížené nejistotami měření
* [[molární plynová konstanta]] <math>R = N_{\mathrm A} k \approx 8{,}31\,\mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}</math>,
* [[Faradayova konstanta]] <math>F = N_{\mathrm A} e \approx 9{,}65 \times 10^4 \,\mathrm{C/mol}</math>,
Řádek 250 ⟶ 249:
* přepočet mezi SI jednotkou energie [[joule]] a často používaným [[elektronvolt]]em, který je dán číselnou hodnotou elementárního náboje <math>1\,\mathrm{eV} \approx 1{,}60 \times 10^{-19}\,\mathrm{J}</math>.
U jiných konstant je situace opačná, původně byly stanoveny přesně a nově
* [[permeabilita vakua]]; ve stávajícím systému přesně ''μ''<sub>0</sub> = 4π×10<sup>−7</sup> [[henry|H]]/m (z definice ampéru), v novém systému je dána vztahem <math>\mu_0 = \frac{2h\alpha}{e^2c} = \frac{2\alpha}{c}R_{\mathrm K} = \frac{Z_0}{c}</math>, kde ''α'' je [[konstanta jemné struktury]],
Řádek 266 ⟶ 265:
Nová definice molu fixuje Avogadrovu konstantu nezávisle na atomech uhlíku, čímž do výše uvedeného vztahu principiálně zasahuje.
Při připravované redefinici se z důvodů kontinuity hodnot [[relativní atomová hmotnost|relativních atomových hmotností]]
== Průběh přípravy definic a jejich experimentální podpory ==
Řádek 327 ⟶ 326:
}}</ref> a wattové váhy kanadského [[National Research Council|NRC]]. Ty dosáhly v roce 2014 nejistoty 2×10<sup>−8</sup> a jako první tak splnily druhou podmínku.<ref name="Robinson_2014" />
Porovnání posledních výsledků jednotlivých experimentů, kterým bylo věnováno samostatné číslo 2 svazku 51 časopisu Metrologia (2014), ukázalo velmi dobrou vzájemnou konzistenci výsledků. Pokrok tak již v r. 2014 naznačil, že redefinice
| příjmení = Robinson
| jméno = Ian A.
Řádek 343 ⟶ 342:
| doi = 10.1088/0026-1394/51/2/S1
| jazyk = anglicky
}}</ref> [[Generální konference pro míry a váhy]] schválila změnu definice na svém 26. zasedání ve [[Versailles (Francie)|Versailles]] 16. listopadu 2018.
;Ampér
Řádek 442 ⟶ 441:
}}</ref>
;
Okamžik, kdy redefinice vstoupí v platnost, tedy závisel zejména na pokroku v přesnosti a konzistenci určení Planckovy a Boltzmannovy konstanty. V roce 2016 prohlásil Donald Burgess z [[Národní institut standardů a technologie|NIST]], že stávající výsledky měření fundamentálních konstant, na kterých budou nové definice SI založeny, již dosáhly přesnosti vyhovující požadavkům na zavedení redefinice.<ref name="Johnston_2016">{{Citace elektronického periodika
| příjmení = Johnston
Řádek 460 ⟶ 459:
Pro závěrečnou etapu před přijetím byl stanoven harmonogram, svazující schválení nových definic s novou adjustací fundamentálních fyzikálních konstant.<ref name="roadmap">RICHARD, Philippe; ULLRICH, Joachim: Joint CCM and CCU roadmap for the adoption of the revision of the International System of Units. Mezinárodní úřad pro míry a váhy, 2018. [https://www.bipm.org/utils/common/pdf/SI-roadmap.pdf Dostupné online] (anglicky)</ref> Ta byla vydána v r. 2017<ref name="Newell_2017" />.
Redefinice byla přijata [[Generální konference pro míry a váhy|CGPM]] na 26. zasedání 16. listopadu 2018<ref name=":0" /> ve [[Versailles (Francie)|Versailles]] v Paříži.<ref>BIPM: Calendar of meetings. [http://www.bipm.org/en/conference-centre/diary/ Dostupné online] (anglicky)</ref><ref>BIPM: Resolution 1 of the 25th CGPM (2014). [http://www.bipm.org/en/CGPM/db/25/1/ Dostupné online], [http://www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM-2014/25th-CGPM-Resolutions.pdf PDF] (anglicky)</ref><ref>BIPM: Joint CCM and CCU roadmap for the new SI [http://www.bipm.org/utils/common/pdf/SI-roadmap.pdf Dostupné online (PDF)] (anglicky)</ref><ref name="Robinson_2014" /> Vstoupení v mezinárodní platnost
== Uvažovaná budoucí redefinice sekundy ==
| |||