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Hacia una nueva definición de la unidad de masa Jorge C. Sánchez

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Page 1: Hacia una nueva definición de la unidad de · PDF fileMétodos primarios para ... = número de Avogadro ... ya que proporcionaría un método alternativo para determinar h a través

Hacia una nueva definición

de la unidad de masa

Jorge C. Sánchez

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El kilogramo es la única unidad de

base del Sistema Internacional de

Unidades (SI) que todavía se define a

partir de un artefacto material.

“El kilogramo es la unidad de masa; es

igual a la masa del prototipo

internacional del kilogramo”

La principal desventaja de esta

definición es que se basa en la

estabilidad a largo plazo de la masa de

un artefacto material.

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• Bajo los términos de la Convención de

1875, se fabricaron nuevos prototipos

del metro y del kilogramo y se

adoptaron formalmente por la primera

Conferencia General de Pesas y

Medidas (CGPM) en 1889

Un poco de historia

• La Oficina Internacional de Pesas y Medidas, el BIPM, fue

establecida en el Artículo 1 de la Convención de Metro, de 20 de

Mayo de 1875

• Este sistema fue desarrollándose a lo largo del tiempo hasta completar

siete unidades básicas y en 1960, en la 11ª CGPM, se le asignó el

nombre de “Sistema Internacional de Unidades”, SI.

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• Entre 1882 y 1889, se fabricaron 40 prototipos de una aleación de

platino con 10 % de iridio en la fundición Johnson-Matthey y

fueron comparados entre sí utilizando varias combinaciones y a

su vez cada uno de ellos fue comparado con el prototipo

internacional.

• Antes de iniciar las comparaciones definitivas los prototipos se

lavaron con vapor de etanol y vapor de agua Luego se colocaron

bajo una campana de vidrio en presencia de hidróxido de potasio

anhidro.

Aparato utilizado entre 1882 y

1889 para lavar los prototipos.

Chorros de vapor de etanol y

vapor de agua son dirigidos

alternativamente sobre los

prototipos

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• En 1939 los prototipos se limpiaron frotando toda la superficie con

una gamuza impregnada en etanol y después con gasolina (petrol)

redestilada y se realizaron algunas comparaciones con los testigos y

patrones de trabajo, los resultados fueron inconsistentes.

• La primer verificación de prototipos nacionales se realizó entre 1899 y

1910 sin utilizar el prototipo internacional.

Balanza Ruprecht

utilizada en la década

del 30

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•Después de la guerra en 1946 se realizó la segunda verificación

de prototipos nacionales

•Los seis testigos (témoins- official copies) y patrones de trabajo

del BIPM se compararon con el prototipo Internacional.

•Todos fueron limpiados con solvente y lavados con vapor

“cleaning and washing”

•A partir de 1946 todo prototipo recibido en el BIPM para

verificación se limpió frotando con solvente y se lavo con vapor

de agua.

•El solvente se reemplazó por una mezcla en partes iguales de

etanol y éter

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Limpieza por frotado con cuero de gamuza embebido de una mezcla en

partes iguales de etanol y éter .

(Previamente el cuero de gamuza se deja 48 horas en remojo en una mezcla de etanol y

éter y se escurre tres veces antes de iniciar la limpieza)

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Sistema actual de

limpieza con vapor de

agua

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Lavado de la base del

soporte del prototipo y el

colector de condensado con

vapor de agua

Manipulación de los prototipos

con pinzas. Las superficies de

apoyo están cubiertas

interiormente con gamuza y y

exteriormente con “tejido” para

lentes (lens tissue)

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Lavado de la base

Lavado de la superficie

cilíndrica

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Las últimas gotas de agua

condensada que no se

escurren por la superficie se

retiran por capilaridad con

papel de filtro. Otra alternativa

es soplarla con un chorro de

“gas” limpio.

El prototipo se coloca sobre un

disco de “Pyrex” bajo una

campana (no se agrega

material anbsorbente de

humedad)

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Dispersión de los resultados de la comparación del IPK con

sus testigos

Alrededor de 50 mg, (5 x 10-8) en 100 años

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Dispersión de los resultados de la comparación del IPK con sus

testigos agregando la comparación extraordinaria de 2014

Entre 1991 y 2014 el promedio de las diferencias con el IPK es de -1 mg

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• El IPK es un objeto único, que se almacena y se utiliza sólo en el BIPM y el

acceso a este objeto es estrictamente regulado por el CIPM.

• El IPK podría dañarse durante el uso

• Después de largos períodos de tiempo cuando no se utiliza el IPK

debe ser limpiado cuidadosamente con el fin de eliminar contaminación

acumulada en la superficie sin eliminar material de la aleación PT-Ir

•La masa del IPK y sus testigos pueden ser afectados por largos períodos de

tiempo por procesos químicos ó físicos demasiado lentos para ser fácilmente

detectados

• Por convención, en el SI la masa del IPK es siempre1 kg. Era exactamente 1

kg en 1889 y será de exactamente 1 kg en la actualidad.

Fuente: Proposed change to the definition of the kilogram: Consequences for legal metrology

RICHARD DAVIS - OIML BULLETIN VOLUME LII • NUMBER 4 • OCTOBER 2011

Deficiencias en el sistema actual

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Propuesta para la futura realización del kilogramo con métodos primarios

que vinculan patrones primarios de masa con la constante de Planck

Constante

de Planck "h"

Patrones primarios de masa

Métodos primarios para realizar la definición

Diseminación del kilogramo

Patrones secundarios de masa

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0

UJ

I

m g

I L B

B

L

m g = I L B

I: Intensidad de la corriente

eléctrica que circula por la

bobina, I = Uj / R

L: Longitud de la bobina

B:Intensidad del campo

magnético generado por el imán

Modo estático: Medición de I

R

Imanes

permanentes

m metal

n l/2

La Balanza de Watt

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0

UJ

B

L

U = v L B

U: Tensión generada en la

bobina en movimiento

V: velocidad de desplazamiento

de la bobina

L: Longitud de la bobina

B:Intensidad del campo

magnético generado por el imán

v

Motor magnético

para generar el

movimiento de la

bobina

Modo dinámico: Medición de U

n l/2

La Balanza de Watt

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En la fase estática B L = m g / I

En la fase dinámica B L = U / v

Igualando ambas expresiones: U / v = m g / I entonces U I = m g v

Si la longitud L y la intensidad de flujo magnético B permanecen constantes en los dos

experimentos:

U se mide aplicando el efecto Josephson

Donde:

n: número entero (1, 2,..., n)

f: frecuencia de excitación de la juntura Josephson

h: constante de Planck

e: carga del electrón

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La corriente I se mide tomando la caida UR sobre la resistencia R, entonces:

y la la corriente I :

Entonces:

Finalmente:

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Sistema Hall cuántico para

medición de resistencia

1 x 10-9

Sistema Josepshon programable

para la medición de tensión

1 x 10-9

Gravímetro Absoluto para la

medición de la aceleración de la

gravedad

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Fuentes de incertidumbre en las balanzas de Watt

•Aceleración local de la gravedad

•Alineación de la bobina con la pesa y el campo

magnético

•Cambio de aire a vacío: perdida de agua “adsorbida”

Se produce un incremento de unos 21,5 ug en las pesas de

acero inoxidable y 11,6 ug en las pesas de platino

En el pasaje de aire a vacío el 80 a 90 % del cambio se

produce en los primeros 10 minutos pero la estabilidad se

logra a las 48 horas

El cambio repetido aumenta la contaminación con

hidrocarburos en el aire

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La balanza de Watt del BIPM

La carácteristica particular de la balanza de Watt del

BIPM es que realiza las dos fases de medición (tensión

inducida y corriente de equilibrio) simultáneamente,

garantizando de esta forma que las propiedades

geométricas de la bobina y el campo magnético sean

estrictamente las mismas las mismas. La desventaja

es la caída de tensión en la bobina debida a la

resistencia, esta caída debe ser discriminada de la

tensión inducida con una incertidumbre de 1parte en

10-8 , esto se podría lograr en última instancia con una

balanza de Watt criogénica

Balanza de Watt del BIPM – International Bureau of Weights and Measures

(http://www.bipm.org/en/bipm/mass/watt-balance/)

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Interferómetro de tres

ejes para para medir

la velocidad de la

bobina en el modo

dinámico

Sistema amortiguador

electrostático

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Balanza de Watt del NIST –National Institute of Standars and Technology

(http://www.nist.gov/pml/si-redef/kg_focus_gallery.cfm)

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1 Rueda en lugar de

brazos iguales. Puede

rotar hasta 10 grados

2 La pesa y la bobina

cuelgan de finos

alambres para mantener

alineado el sistema

3 Una “araña” de tres

brazos sostiene por

medio de tres barras la

pesa y la bobina.

Las barras deben estar

precisamente alineadas

para mantener centrada

la pesa y la bobina con el

centro del campo

magnetico

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4 La bobina esta inmersa en

un campo magnético de 0,55

Tesla y se mueve verticalmente

en ambos modos el estático y el

dinámico

5 Sistema magnetico

de 1000 kg de peso

compuesto por dos

imanes permanentes de

samario y cobalto con un

cerramiento de hierro

6 En el lado opuesto de

la rueda se encuentra el

motor eléctrico que

produce el movimiento en

el modo dinámico

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Balanza de Watt del METAS- Federal Intitute of Metrology , Swiss Confederation

(http://www.metas.ch/metas/de/home/fue/forschungsprojekte/wattwaage.html)

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Esquema constructivo

Mecanismo de maniobra

Mecanismo de traslación

Comparador de masas

Imán

Intercambiador de pesas

Pesa

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2 Campo magnético de 0,3 Tesla

generado con imanes de SmCoGd

alineados con un paralelismo de pocos

micrometros

5 Bobina autoportante compuesta por

1800 vueltas de alambre de 0,25 mm

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4 El interferómetro permite medir la

velocidad de desplazamiento de la

bibina en la etapa dinámica con una

incertidumbre de 1 x 10-8

9 Unión cardánica con flejes para no transmitir

esfuerzos laterales a la celda de pesaje de

pesaje

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4 Paralelogramo construido con trece

láminas elásticas de 0,125 mm que

garantizan un desplazamiento vertical de

la bobina con desvíos menores a 200 nm

10 Receptor de carga con la pesa de

referencia

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Balanza de Watt del NCR- National Research Council Canada

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Esquema de la balanza de Watt del NRC. (1) cuchilla central, (2) cojinete plano, (3) Armadura de

brazos iguales, (4) cuchilla lateral, (5) estribo, (6) suspensión intermedia, (7) unión cardánica, (8)

suspensión inferior, (9) masa incógnita, (10) receptor de carga, (11) imán permanente, (12) bobina,

(13) interferómetro, (14) bobina motora, (15) contrapeso

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Medición de la aceleración local de la gravedad

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Fotodiodo

Laser

Interferómetro de Michelson

Espejo retroreflector fijo

Espejo retroreflector movil

Por la ventana del fotodiodo pasan franjas claras y oscuras

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Realización por el número de átomos de una esfera de Silicio 28 (Realization by the X‐ray‐crystal‐density method- XRCD)

N= número de átomos

8= numero de átomos en cada celda del cristal

Vs= volumen de la esfera

ms= masa de la esfera

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Proyecto Avogadro

NA= número de Avogadro

8= numero de átomos en cada celda del cristal

Msi= masa molar del silicio

V= volumen de la esfera

m= masa de la esfera

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•Para que esta redefinición se lleve a cabo, NA tendría que ser conocido

con precisión en el presente sistema SI. Este es el propósito del proyecto

Avogadro.

•Para esto el Comite Consultivo de Masa y Magnitudes Relacionadas

CCM en su recomendación G1 (2010), expresa que el NA debe

determinarse con una incertidumbre relativa de 2× 10-8

•Aun con la redefinición del kilogramo basada en un valor numérico fijo

de la constante de Planck, h, una determinación precisa del NA seguiría

siendo crucial, ya que proporcionaría un método alternativo para

determinar h a través de la constante molar de Planck , NA h que es

conocida con una incertidumbre relativa de 10-9

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•Cristal de Si 28 obtenido por

el método de “Zona flotante”

y el plan de cortes.

•El enriquecimiento logrado

es mejor del 99,995 %

•Para determinar la densidad

se fabricaron dos esferas

(AVO28-S5 y AVO28-S8)

obtenidas de ambas

protuberancias.

•Para determinar el

parámetro de red a través de

interferómetría de rayos X se

utilizó el corte de la zona

amarilla entre las dos

esferas.

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Medición interferométrica de las esferas en el PTB y el NMIJ

Diámetro medio de la esfera AVO28-S5 = 93,722 972 0(9) mm

Diámetro medio de la esfera AVO28-S8 = 93,722 250 9(7) mm

Topografía de la superficie de las esferas

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Resultados de la determinación de la masa de las dos esferas por

comparación con patrones de Platino en el BIPM. PTB y NMIJ

mS5 − mS8 = 23,042 mg.Masa de la esfera AVO28-S5 = 1,000 087 772 4(41) kg

Masa de la esfera AVO28-S8 = 1,000 064 730 7(41) kg

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NA = 6,022 140 82(18) × 1023 mol−1,

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-1 -0,5 0 + 0,5 + 1

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•La realización de la unidad de masa, tanto por el método de la balanza de Watt cómo la esfera

de silicio, se lleva a cabo en vacío.

•Es necesario poner a punto un método de transferencia entre pesadas en vacío, pesadas en

atmósferas no contaminadas y en aire.

•El cambio de ambiente provoca en las pesas un proceso de “adsorción” y “desorción”

superficial de moleculas de los elementos presentes en la atmósfera.

Óxidos metálicos

2 nm

10 nm

3 nm

3 nm

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En 2011, la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) encomendó al

BIPM desarrollar un conjunto de patrones de referencia que facilite la

diseminación de la unidad de masa a partir de la nueva definición (Resolución

1 (2011)).

Desde entonces, el Departamento de Masas del BIPM está montando un

laboratorio para mantener un conjunto de 12 patrones de masa de referencia y

cuatro “pilas” de discos de la misma masa y volumen pero mayor superficie

para que los cambios de masa debido a los efectos de superficie pueden ser

estudiados

Argon Nitrogeno 1 Nitrogeno 2 Vacío Aire

Pt-Ir 1 1 1 1 1

Si 1 1 1 1 1

Inox 1 1 1 1 1

Discos 1 1 1 1 1

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Acero

Inox

Pt-Ir SI

Pt-Ir

Acero

Inox

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Instalación para mantener el conjunto de patrones

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•Los patrones se almacenan en un ambiente no contaminado que se monitorea en

forma continua para garantizar la estabilidad de la masa.

•Los artefactos se intercomparan frecuentemente y la masa de cada uno de ellos se

compara con la media del conjunto.

•La masa media se calcula dándole a cada elemento del conjunto un peso

estadístico que refleja la estabilidad individual, de esta forma la masa del conjunto

es más estable que la masa de cualquier elemento.

•Para asegurar la trazabilidad respecto a las constantes fundamentales uno ó más

elementos del conjunto se calibra con las realizaciones primarias del kilogramo

disponibles por medio de patrones de transferencia.

•Las comparaciones se realizan con comparadores de masa con una resolución de

1 x 10-10 y una incertidumbre relativa del orden de 2 x 10-9

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Contenedores con atmósfera controlada

Argón con un máximo de 0,05 ppm de contaminantes (hidrocarburos, agua, oxigeno)

Nitrógeno (1) con un máximo de 0,05 ppm de contaminantes

Nitrógeno (2) con un máximo de 2 ppm de humedad

Sensibilidad de los equipos de monitoreo: 0,1 ppm

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Contenedores al vacío

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Detalle de los contenedores

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Obsevaciones de los grupos de trabajo. CIML

• Se admite que el nuevo SI propuesto tiene una sólida base experimental.

La decisión final la debe dar la CGPM teniendo en cuenta todos los datos

experimentales y los beneficios de la revisión del SI

•Es probable que las nuevas definiciones de las unidades del SI no tengan

ningún impacto sobre las mediciones rutinarias de longitud, intensidad

luminosa, corriente eléctrica, temperatura, cantidad de materia y

magnitudes derivadas

•Potencialmente el mayor impacto se puede dar en las mediciones de masa

de alta exactitud. Estas observaciones coinciden con publicaciones

recientes

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El CCM recomienda que se cumplan las siguientes 4 condiciones antes de que el

CIPM solicite al CODATA ajustar los valores de las constantes físicas fundamentales

asignando un valor numérico a la constante de Planck

R1- Al menos tres experimentos realizados en forma independiente , incluyendo la Balanza

de Watt y el XRCD produzcan valores consistentes de la constante de Planck con una

incertidumbre estándar relativa de 5 x 10-8

Las últimas publicaciones incluyen tres resultados experimentales independientes con

incertidumbres relativas < 5 x 10-8 , pero como los datos no son consistente se esperan más

resultados experimentales.

R2 – Al menos uno de esos deberá tener una incertidumbre estandar relativa no mayor de

2 x 10-8

Se ha publicado un resultado con incertidumbre menor a 2 x 10-8 se esperan nuevos

resultados

Grado de cumplimiento de las recomendaciones del CCM G1(2013)

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R3- Los prototipos del BIPM, el conjunto de patrones de masa referencia (platino, acero

inoxidable y esferas de Si) del BIPM, y los patrones de masa utilizados en los

experimentos Balanza de Wat y XRCD deberán ser comparados en la forma más

directa posible con el prototipo internacional del kilogramo

En progreso, comparación extraordinaria realizada en 2014

R4 – Los procedimientos para la futura realización y diseminación del kilogramo tal como

esten descriptos en la mise en practique deben ser validados de acuerdo a los

principios del CIPM-MRA

Se ha planificado revisar y aprobar los resultados recibidos durante el año 2017,

Grado de cumplimiento de las recomendaciones del CCM (2013)

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Estrategias del CCM

Reducir al mínimo las consecuencias (negativas) de una mayor incertidumbre en la

cadena de trazabilidad de las futuras determinaciones de masas (después de la

redefinición del kilogramo)

Garantizar la continuidad, la trazabilidad, la precisión y la aceptación de las

medidas de masa en todo el mundo, es decir, evitar o al menos minimizar las

posibles discrepancias entre diferentes realizaciones ( "nacionales") para la

metrología de masas.

Medir la inestabilidad del prototipo internacional del kilogramo a partir de los

resultados de la calibración extraordinaria

Aumentar el número de realizaciones independientes.

Desarrollar un equipo rentable para la realización primaria del kg con el objetivo

final de obtener una realización comercial ampliamente disponible.

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