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EVOLUCIÓN DE LA METROLOGÍA EN MASA
(CAMBIOS EN LA DEFINICIÓN DEL KILOGRAMO)
Fernando García G.Jefe Laboratorio Custodio de los Patrones Nacionales de Masa
CESMEC S.A.CHILE
Temario
La definición actual Propuestas Estado de las investigaciones
Efectos en las mediciones
diariasConclusiones
El kilogramo: la definición actual
El Comité Internacional de Pesos y Medidas define siete unidades básicas de mediciónMagnitudes fundamentales
• Longitud• Masa• Tiempo• Intensidad de corriente eléctrica
• Temperatura• Cantidad de sustancia
• Intensidad luminosa
Unidades básicas• Metro• Kilogramo• Segundo• Ampere• Kelvin• Mol• Candela
Todas las unidades del SI están basadas en fenómenos físicos universalmente reproducibles
A
R K
K
mol s
cd
kg
m
K J e k
K J-90 R K-90
N A
G
m 12C
m e
R o o
c
h
exact
R h e2
2e h
9 10–8 2 10–6
(10–9) (10–10) 2 10–7
7 10–8
9 10–8
6 10–16
2 10–7
2 10 –7 2 10 –7
2 x 10–4
7 x10–12
2 10 –7
10–12 10–4
2 10–6
3 10–9
9 10–8 3 10–9
R K
0
F 9 x 10 8
TJQ August 2004
exact
R
??
?
?
“El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo”
• Fabricado en 1879 por Jonhson Matthey
• 90% Platino y 10% Iridio• 39 mm de diámetro• 39 mm de altura• Densidad de 21500 kg/m3
El problema con esta definición son los cambios que sufre el IPK en el tiempo
• El IPK es un objeto susceptible a:• Suciedad y polvo• Manipulación• Influencia térmica
Variaciones en el tiempo
Fuente: BIPM website
Por tanto, se hace necesario redefinir el kilogramo mediante una relación con una constante física invariante• La última comparación de los
prototipos nacionales del kilogramo (NPK) con el prototipo internacional del kilogramo (IPK) muestran divergencias del orden de en los últimos 100 años.
• Ya que ninguno de los objetos comparados pueden haber sufrido cambios en el tiempo, no es posible decidir cuales “perdieron” o “ganaron” masa.
50𝜇𝑔
La propuesta para redefinir el kilogramo considera utilizar la constante de Planck en vez del IPK
• Para redefinir el kilogramo, se debe determinar una relación entre el valor de masa de un cuerpo y una constante física.
• De esta forma se elimina la variación temporal en la definición de la unidad.
• De las relaciones existentes, la que presenta los mayores beneficios es la constante de Planck. h
La constante de Planck, llamada “cuanto de acción” proviene de la mecánica cuántica
• Max Planck, a comienzos del siglo XX, consideró que la energía absorbida por un cuerpo negro se establecía en paquetes (o cuantos) de energía.
• La constante trasciende a varias ramas de la física, como las relaciones termodinámicas, las electromagnéticas, e incluso, las mecánicas.
𝐸=h𝜈
Siguiendo la propuesta, lo que se busca entonces es determinar la constante de Planck
Propuestas
Actualmente, existen dos ideas que están en desarrollo• Determinar la relación entre la
masa de un cuerpo y la constante de Planck mediante el experimento de la balanza de Watt.
• Determinar h indirectamente mediante el Número de Avogadro
La balanza de Watt utiliza la equivalencia de potencia eléctrica y mecánica
• Una balanza tradicional de brazos iguales utiliza dos pesas, una a cada lado del pivote, y busca el equilibrio estático.
• La balanza de Watts, en cambio, utiliza sólo una pesa en uno de los extremos, mientras que en el otro dispone una bobina que cuelga libremente, sometida a un cambio magnético.
• El equilibrio se logra observando la corriente eléctrica que se necesita para equilibrar la pesa.
La condición de equilibrio mecánico y el fenómeno de FEM inducida permiten la equivalencia
Esta ecuación establece la relación entre la masa de un cuerpo y la constante de Planck
Actualmente, existen 6 países que declaran tener una balanza de Watt
BIPM (Internacional – Francia)NIST (USA)NPL (Inglaterra)NRC (Canadá)KRISS (Corea)METAS (Suiza) De ellos, solo 4 laboratorios
han publicado sus resultadosNIST (USA)NPL (Inglaterra)NRC (Canadá)METAS (Suiza)
El Proyecto Internacional Avogadro utiliza otra vía: contar átomos• Un mol es la cantidad de sustancia que contiene un número
determinado de entidades (átomos, por ejemplo).• Ese número se conoce como el Número de Avogadro, y tiene un valor
aprox. de 6,022x1023.• Ejemplo: un mol de silicio es la cantidad de silicio con el que se logra
obtener 6,022x1023 átomos de silicio.
La idea es contar los átomos de una esfera de silicio
¿Por qué silicio?Las técnicas actuales, provenientes de la industria de semiconductores, permiten controlar el crecimiento cristalino del silicio, creando redes casi perfectas.
¿Por qué una esfera?Porque no tiene esquinas.
El conteo se basa en las propiedades de la red cristalina del silicio
Una celda unitaria de silicio contiene 8 átomos.
El volumen de la celda se determina a partir de un parámetro conocido como la constante de red (a).
El Proyecto Internacional Avogadro lo desarrollan 7 países
NMI (Australia)SMD (Bélgica)PTB (Alemania)INRIM (Italia)NMIJ (Japón)NPL (Inglaterra)NIST (USA)
De ellos, PTB es el instituto que lidera el proyecto
Estado actual de las investigaciones
El Comité Consultivo para Masa y Magnitudes Relacionadas CCM estableció algunas recomendaciones antes de redefinir el kg
1. Al menos tres independientes experimentos, provenientes de los proyectos de la Balanza de Watt o del Número de Avogadro, deben lograr valores de las constantes con una incertidumbre relativa no mayor a 5x10-8
2. Al menos uno de los resultados debe tener una incertidumbre relativa de 2x10-8
3. Para cada constante, los valores provenientes de los diferentes experimentos deben ser consistentes a un nivel de confianza del 95%
Y otras más…
1. Se han logrado dos de los tres resultados independientes• NIST logró determinar un valor
de h con incertidumbre relativa menor a 5x10-8, y se está a la espera de que otro laboratorio reporte sus resultados.
Incertidumbre relativa: 3,6x10-8
*2014: NRC estaba cerca: 6,5x10-8
• Por otra parte, el Proyecto Internacional Avogadro ya logró obtener incertidumbres relativas menores a 5x10-8
2. Ningún resultado ha logrado una incertidumbre relativa menor a 2x10-8
3. El nivel de confianza ya fue alcanzado en dos mediciones de NIST, en Agosto de 2015
Los resultados aún no publicados son esperanzadores • NRC ha realizado modificaciones a su
balanza de Watt, con lo que se espera que logre incertidumbres relativas menores a 2x10-8. Se está a la espera de los resultados.
• Por otra parte, NIST sigue en su trabajo para reducir aún más las incertidumbres informadas.
• METAS y NPL esperan entregar nuevos resultados durante este año.
Efectos en las mediciones diarias
Hay dos escenarios posibles:
• Redefinir el kilogramo tomando en cuenta las recomendaciones del Comité Consultivo para Masa y Magnitudes Relacionadas (CCM).
• Redefinir el kilogramo con los resultados actuales.
Si se redefiniera el kilogramo con los resultados actuales…
• Los Laboratorios de Masa de los INM que declaran incertidumbres relativas menores a 1x10-8 verías afectadas sus capacidades para calibrar pesas clase E1.
• Por ende, los laboratorios de calibración perderían su acreditación para calibrar masas E1.
Esto ha generado más de alguna discusión…• CECIP, organización europea que
representa a los principales fabricantes de instrumentos de pesaje, emitió en 2012 una declaración expresando su “reserva” respecto a la redefinición del kilogramo
Sus justificaciones:1. La posibilidad de reproducir la
constante de Planck no permitiría asegurar la concordancia entre mediciones de masa
2. El aumento en las incertidumbres afectará las declaraciones de CMCs de los laboratorios de calibración.
3. El sistema actual funciona bien4. La definición del kilogramo
creará confusión en el público general.
No obstante, si se considera lo indicado por el CCM…
• Los valores en las declaraciones de “Capacidad de Medición y Calibración” (CMC) de los Laboratorios de Masa de los Institutos Nacionales de Metrología de alto nivel se incrementarán sólo en un factor 2.
• Pero ello no afectará las capacidad para calibrar masas, incluidas las de clase superior a E1.
• Y no será posible percibir cambios en las incertidumbres que declaran los laboratorios de calibración.
Conclusiones
Los proyectos deben seguir investigando• La redefinición del kilogramo es
necesaria para asegurar la invariabilidad de la unidad.
• La determinación de la constante de Planck es de vital importancia para una redefinición óptima.
• Una redefinición apresurada podría crear efectos en los resultados de los laboratorios de calibración.
• Sin embargo, si se toman en cuenta las recomendaciones del CCM, los cambios se producirán sin repercusiones perceptibles para la industria.
EVOLUCIÓN DE LA METROLOGÍA EN MASA
(CAMBIOS EN LA DEFINICIÓN DEL KILOGRAMO)
Fernando García G.Jefe Laboratorio Custodio de los Patrones Nacionales de Masa
CESMEC S.A.CHILE
