Hvidt kattehår på sorte bukser:Undersøgelse måler stabiliteten af ​​præcisionsmasser til gavn for handelen

Hvornår er to nominelt identiske kilogrammasser ikke længere identiske? Når hver går til et andet sted og adsorberer varierende mængder fugt og forurenende stoffer.

Undersøger dette problem, U.S.National Institute of Standards and Technology (NIST) og National Research Council (Canada) samarbejder med målelaboratorier i nord, Central- og Sydamerika for bedre at forstå, hvordan masserne af præcisionsvægte stiger og falder over tid.

De håber, at resultaterne vil gavne international handel, hvor selv små måleunøjagtigheder kan have betydelige virkninger.

For at sikre, at et halvt kilo kartofler i købmanden virkelig vejer et kilo, en butiks saldo skal kalibreres regelmæssigt. Til denne slags kalibrering, forbrugere i sidste ende stole på massegenstande, metalstykker, hvis masse er blevet nøjagtigt målt. Forskere kender massen, fordi hver artefakt til gengæld er blevet sammenlignet med andre artefakter i en ubrudt kæde af sammenligninger, der strækker sig tilbage til den grundlæggende definition af selve massen.

Standardlaboratorier opretholder et væld af masseartefakter til sammenligninger som disse, som i sidste ende bruges til at kalibrere alt fra dagligvarebalancer til badevægte. Fra tid til anden, disse laboratorier kræver en ekstra eller udskiftende masseartefakt til deres samling.

I de første måneder af sit liv, imidlertid, massen af ​​en ny artefakt kan ændre sig betydeligt, da det nyskårne metal adsorberer molekyler fra dets miljø.

Der er en vis uenighed om, hvor længe forskere skal vente, før de kan være sikre på, at en ny artefaks masse er stabil. Så, NIST og NRC Canada designet det massive nye eksperiment for at hjælpe med at løse dette problem.

Forsøget involverer 60 nominelt ens kilogramvægte, beordret til at blive fremstillet af en enkelt stang af rustfrit stål af høj kvalitet. Omkring halvdelen af ​​disse 60 enheder er blevet distribueret til 29 lande inden for det interamerikanske metrologiske system (SIM), et netværk af nationale metrologiske institutter (NMI'er) placeret i nord, Syd- og Mellemamerika, samt ø -nationer.

I et år eller mere, SIM -repræsentanterne for hvert land vil måle massen af ​​deres artefakt hvert par måneder og sende NIST og NRC Canada dataene. De vil også overvåge hver masses miljø, inklusive laboratoriets temperatur barometrisk tryk, fugtighed og flygtige organiske forbindelser (VOC'er), et mål for luftkvalitet.

"Det hele bliver et massivt stabilitetsstudie på en skala, som ingen nogensinde har gjort før, "sagde NIST -fysikeren Patrick Abbott." Fordi masserne er taget fra den samme stålstang, du ville forvente, at de måske havde det samme langsigtede svar. "Dog, forholdene i de forskellige SIM -laboratorier forventes at påvirke den hastighed, hvormed masserne ændres, afhængig af kvaliteter som højde og mængden af ​​salt i luften. I de første måneder af deres liv, masserne blev holdt i USA og Canada. Nu, halvdelen af ​​dem vil blive opbevaret i laboratorier nær ækvator og langt ud på den sydlige halvkugle.

"Så hvordan vil masserne ændre sig?" Sagde Abbott. "Når de kommer derned, de vil ikke nødvendigvis følge det samme mønster som de gør i Nordamerika. "

Kattehår på sorte bukser

En ny artefakt, frisk skåret, er som en svamp:Den opsamler molekyler fra luften, og dette øger sin masse lidt over tid. De nye artefakter, der blev brugt i dette forsøg, er mindre end et år gamle og, derfor, i en fase med relativt hurtig vægtforøgelse i størrelsesordenen 7 mikrogram (milliontedele gram) over seks måneder. Det lyder måske for lille til at gøre noget men selv små ændringer - især hvis de er uforudsigelige - kan skabe usikkerhed i laboratoriemålinger.

"Disse vægte ændrer sig, "Sagde Abbott." De samler ting op fra luften - ligesom de sorte bukser i et hus med en hvid kat. "

På et tidspunkt, at processen normalt stopper eller bremser betydeligt. Spørgsmålet er, hvor længe skal et laboratorium vente, før det kan være sikker på, at dets masse har nået en stabil fase? Og hvordan ændrer denne periode sig afhængigt af laboratoriets placering og gennemsnitlige miljøforhold?

Tidligere undersøgelser har haft en tendens til at være små, udført i et enkelt laboratorium. Abbott og hans NIST- og NRC Canada-kolleger spekulerede på, om en større indsats ville hjælpe med at løse uoverensstemmelser i tidligere resultater.

"Lige nu, mange af de undersøgelser, der er blevet udført, har været meget lokaliserede:et laboratorium, en person, under et sæt betingelser, "Sagde Abbott." Men en anden person i et andet laboratorium foretager måske den samme undersøgelse og siger:'under disse betingelser, vi fik noget helt andet, fortsatte han. Så, hvem har ret?

"Forhåbentlig vil denne undersøgelse kunne besvare spørgsmålet:Hvis du køber en masse til dit laboratorium, hvad er en rimelig forventning om, hvornår du rent faktisk ville kunne tage det i brug, og har tillid til det? "sagde Abbott.

Mere end massen alene

Inden du fordeler artefakterne, NIST og NRC Canada karakteriserede dem fuldt ud ved at måle deres tæthed såvel som deres magnetiske modtagelighed, en kvalitet af, hvordan materialet opfører sig, når det udsættes for et magnetfelt. Hvert institut tog halvdelen af ​​masserne:NRC Canada tog dem med lige numre, og NIST tog de ulige nummererede.

For at måle tætheden af ​​deres halvdel af vægtene, de canadiske forskere brugte en hydrostatisk teknik, der involverede at veje hver artefakt successivt i væsker med forskellige kendte tætheder. I mellemtiden, NIST udførte deres test aerostatisk, ved hjælp af et trykkammer, der kunne veje artefakterne i forskellige lufttætheder.

Selvom alle masserne skulle være nominelt identiske, Abbott var overrasket over at opdage, at de første 15 vægte, han målte, havde en klart anden tæthed end den anden 15. Han var bekymret for, at han havde begået en fejl - indtil han fandt ud af, at hans canadiske modstykke havde målt den samme uoverensstemmelse i deres vægte.

"Det viste sig, at producenten brugte to forskellige stålstænger, der havde lidt forskellige tætheder, "Sagde Abbott, "og vi så det i vores målinger."

Da de udvekslede data for at se, hvor tæt tallene var på linje, Abbott sagde, "det var smukt, bare smuk. Vi brugte to meget forskellige teknikker, og der var fremragende enighed om denne undersøgelse. "

Tidligere på måneden, NIST og NRC Canada distribuerede 29 af de 60 masser, en til hvert af de deltagende syd- og mellemamerikanske lande. De resterende artefakter vil blive opbevaret og overvåget af NIST og NRC Canada, indtil undersøgelsen er afsluttet.

Indtil 19. maj, 2019, verdens definition af masse vil fortsat være baseret på International Prototype Kilogram (IPK), en cylinder af metal smedet i slutningen af ​​1800 -tallet og opbevaret på et laboratorium uden for Paris, Frankrig. Efter denne dato, den formelle definition af et kilo vil blive omdefineret til at stole på en grundlæggende naturkonstant. Imidlertid, kilogram artefakter forventes stadig at blive brugt i mange applikationer, herunder formidling af den nye massestandard.