Еталони одиниць фізичних величин

Для порівняння властивостей чи складу речовин (матеріалів) створюються зразкові речовини та стандартні зразки.

Зразкова речовина – зразкова міра у вигляді речовини з відповідними властивостями, які відтворюються при додержанні умов приготування, що подані у затвердженій специфікації, наприклад, чиста вода, чистий метал, сплав декількох металів тощо.

Стандартний зразок – міра для відтворення розмірів величин, що характеризують властивості чи склад речовин або матеріалів, наприклад, стандартний зразок складу певної руди для контролю правильності визначення вмісту її компонентів, стандартний зразок властивостей феромагнітного матеріалу.

Отже, проведення будь-якого вимірювального експерименту полягає у знаходженні співвідношення вимірюваної величини з деяким її значенням, що прийняте за одиницю, відтворення якої на найвищому за точністю рівні забезпечує еталон одиниці фізичної величини. Тому єдність і точність вимірювань різних фізичних величин значною мірою визначається станом еталонної бази метрології. У державних еталонах повинна бути втілена найвища точність відтворення як основних, так і похідних одиниць, досягнена сьогодні.

Оскільки вимоги до точності вимірювань тих чи інших фізичних величин не залишаються незмінними, а неухильно зростають з розвитком науки та техніки, та відповідно змінюються і вимоги до еталонів. Удосконалення і створення нових точніших еталонів становить вкрай складне та важке завдання. Це пояснюється тим, що можливості відомих способів еталонування у більшості випадків майже повністю вичерпали себе і простим удосконаленням існуючих методів та засобів підвищити точність еталонів на один чи тим більше декілька порядків неможливо. Щоб вийти з цього положення, сучасна метрологія змушена шукати принципово нові шляхи та способи еталонування важливіших фізичних величин, спираючись на досягнення інших наук і, перш за все, фізики.

У теоретичному плані точність еталона обмежена рівнем наших знань про природу, її фізичні, хімічні, біологічні та інші явища та закони, в технічному і технологічному планах – рівнем досконалості апаратури, яка реалізує ці явища та закони. Практика показує, що саме технічна сторона є в більшості випадків домінуючою. Тому зрозумілі постійні пошуки вчених-метрологів знайти або штучно створити такі явища чи ефекти, які б дозволили одержати результат практично не залежний від апаратурного рішення та впливних факторів (умов експлуатації).

Нагадаємо, що 20 травня 1875 року на дипломатичній конференції, що проходила в Парижі, повноважними представниками 17 держав була підписана Метрична конвенція, згідно з якою встановлювались міжнародні прототипи метра та кілограма, утворювались Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ) та Міжнародний комітет мір і ваг (МКМВ). Ця ініціатива була підтримана багатьма країнами світу і в 1882 році була утворена Міжнародна комісія у складі 30 держав для створення прототипів метричної системи мір і виготовлення нових платино-іридієвих прототипів метра та кілограма:

• міжнародний прототип метра у вигляді платино-іридієвої штрихової міри увигляді рейки завдовжки 1 метр як приблизно 1/40000000 парижського географічного меридіана, що було прийнято за одиницю довжини;
• платино-іридієва гиря масою в 1 кг як маса 1 дм3 чистої води при температурі 4°С, прийнятою за одиницю маси.

Найстаріше означення шкали часу базувалось на видимому русі зірок на небі. Так тривалість дня від сходу до заходу Сонця розбивалась на 12 годин, тривалість яких, своєю чергою, була функцією пори року. Далі година ділилась на 60 хвилин, а згодом з’явилось поняття секунди як 1/60 частка хвилини. Офіційно перша шкала часу базувалася на тривалості тропічного року. МКМВ в 1956 році визначив секунду як 1/31556925, 9747 частка тропічного року. Практично астрономічна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам часу від кварцового генератора імпульсів.

З розвитком науки і техніки удосконалювались й еталони. Ще на початку XX століття М. Планк показав, що основні одиниці, зумовлені найзагальнішими законами фізики, можуть бути визначені через фундаментальні фізичні константи. Однак одиниці довжини, маси та часу, що визначались М. Планком через такі фундаментальні фізичні константи, як швидкість світла, стала Планка та гравітаційна стала, знаходяться надзвичайно далеко від значень, які використовуються на практиці. Так, планківські одиниці довжини, маси та часу дорівнювали відповідно: l10-33см, m10-5г, t10-43c. Тому ці одиниці в метрології розповсюдження не знайшли.

Сьогодні ж ідея М. Планка втілена в означенні та відтворенні чотирьох основних одиниць: метр – на швидкості світла у вакуумі, секунда – на частоті квантового переходу атомів цезія-133, кельвін – на використанні реперних точок постійної температури (потрійна точка води – 273, 16 К, точка твердіння цинку – 692, 73 К, точка твердіння золота – 1337, 68 К та інші), кандела – на використанні фундаментальних властивостей світлового випромінювання абсолютно чорного тіла, моль – на числі Авогадро.

Складніше з відтворенням ампера. Його означення в SI містить ряд припущень, а технічна реалізація через струмові ваги, що базуються на механічних вимірюваннях, не дозволяє одержати необхідної точності відтворення одиниці. Пошуки шляхів підвищення точності відтворення цієї основної одиниці пішли, зокрема, у напрямку означення ампера через вольт та ом, які, в свою чергу, реалізуються через квантові