las nuevas definiciones de las unidades de medida del...

CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA

CTNNN / RLazos – CENAM / Febrero 27, 2019 1

LAS NUEVAS DEFINICIONES DE LAS UNIDADES DE MEDIDA DEL SISTEMA INTERNACIONAL,

RAZONES Y CONSECUENCIAS

Centro Nacional de MetrologíaRuben J. Lazos Martínez

[email protected]

mailto:[email protected]



¿Porqué son sólo siete las unidades en el logo?

Se refiere a las unidades de base, las demás se derivan de ellas.

¿Porqué son éstas las unidades de base?

Se trata de un conjunto mínimo que genera las demás.Por acuerdo internacional.

Si ya las conocemos bien ¿Para qué las cambiamos?

https://www.bipm.org/en/about-us/

https://www.bipm.org/en/about-us/



ANTES

1 año = 365 días = 365 x 86 400 s = 31 536 000 s

PERO, la duración del día se está reduciendo y sufre fluctuaciones.

https://www.youtube.com/watch?v=LcgetAQLvBQ

1970 La medida del tiempo en México:

¿PARA QUÉ CAMBIAR LO QUE YA CONOCÍAMOS? El segundo

LO ACORDADO

tal que la frecuencia de la separación hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133 es exactamente igual a 9 192 631 770 hertz

https://www.youtube.com/watch?v=LcgetAQLvBQ



ANTES

distancia a 0 oC, entre los centros de las líneas marcadas en la barra de platino iridio conservada en el BIPM y declarada Prototipo del metro, …, sometida a presión atmosférica estándar y apoyada en dos cilindros de al menos un centímetro de diámetro, simétricamente colocados en el mismo plano horizontal a una distancia de 571 mm uno de otro (1927)

1872

Decisión de construir prototipos del metro, con referencia al Metro de los

Archivos construido en 1799 con base a la

diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano

terrestre que pasa por Dunquerque y Barcelona.

1875Firma del

Tratado del Metro

1895

El Protoripo de Metro Num. 25 llega a México

1905El Prototipo de Metro

Num. 25 se declara patrón nacional

1960Nueva definición como 1 650 763.73 veces la longitud de onda del

Kr86.

1983

Nueva definición en términos de la velocidad

de la luz en el vacío

¿PARA QUÉ CAMBIAR LO QUE YA CONOCÍAMOS? El metro



¿PARA QUÉ CAMBIAR LO QUE YA CONOCÍAMOS? El kilogramo

ANTES Y AHORA

masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1889)

Ref: R. Davis. Phil. Trans. R. Soc. A (2005) 363, 2249–2264

PERO

¿Ha variado el Prototipo Internacional, o lo han hecho sus testigos?

1892El Protoripo de kilogramo Num. 21 arriba a México

1994Se declara como Patrón Nacional de Masa a cargo del CENAM

1889



Measurement regionaccessible to all

Measurement regionas yet undiscovered

Best commercialinstrument

Replaceinstrument

Replacestandard

Nationalstandard

Discovery toproduction lag

Limit ofindustrialtechnology

Limit of measurementtechnology

Time/year1980 1990 2000

108 104 104

1012 108 106

1016 1012 108

second metre volt, etc

Frac

tio

nal

Acc

ura

cy: p

arts

in 1

0n

Ref: B. Petley, NPL

DEMANDA CRECIENTE DE EXACTITUD



Ref: J. C. Maxwell, Presidential address to the British Association for the Advancement of

Science,1870, citado por T. Quinn y K. Burnett en Phil. Trans. R. Soc. A (2005) 363, 2101–2104

Si deseamos obtener patrones de medidapara longitud, tiempo y masa que seanabsolutamente permanentes, debemosbuscarlos no en las dimensiones, ni en elmovimiento, ni en la masa de los planetas,sino en la longitud de onda, en el periodode vibración, o en la masa absoluta de lasimperecederas, inalterables yperfectamente similares moléculas.

James Clerk Maxwell



Unidad de medidaideal

Inmutable: No cambia con el tiempo, se conserva.Universal: Válida en todo sitio.Accesible: Todos los interesados pueden usarla.

unidad de medida

magnitud escalar real, definida y adoptada por convenio, con la que se puede

comparar cualquier otra magnitud de la misma naturaleza para expresar la relación

entre ambas mediante un númeroRef. VIM, NMX-Z-055-IMNC



Conservación de la masa (Lavoisier, 1789) en sistemas impermeables

PERO no se cumple en presencia de reacciones nucleares.

Conservación de la energía (Helmholtz, 1847), en sistemas cerrados

SIN EMBARGO tenemos que considerar

c velocidad de la luzh constante de PlanckkB constante de BoltzmanNA Número de Avogadroa constante de estructura finae carga elementalR constante universal de los gasesR∞ constante de Rydberg…

Eppur

¿CANTIDADES INMUTABLES?

existen cantidades aparentemente inmutables (± incertidumbre del experimento), independientes de otras magnitudes, de condiciones ambientales, del lugar, del tipo de fenómeno, …, por ejemplo:

2

htE

Ref: CODATA http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html

Se dispone de más de 250 “constantes”

PERO, las llamadas fundamentalesestán asociadas a leyes físicas suficientemente probadas como Relatividad, Mecánica Cuántica, Electrodinámica, Termodinámica, …



LAS UNIDADES BASE ANTES, HOY Y LAS ACORDADAS

ANTES AHORA LO APROBADO

segundo fracción 1/31 556 925.9747 del año tropical de 1900, enero 0 a 12 horas del tiempo efeméride (1960)

duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del Cs133 (1967)

tal que la frecuencia de la separación hiperfinadel estado base del átomo de Cesio-133 es exactamente igual a 9 192 631 770 hertz

metro distancia a 0 oC, entre los centros de las líneas marcadas en la barra de platino iridio conservada en el BIPM y declarada Prototipo del metro, …, sometida a presión atmosférica estándar y apoyada en dos cilindros de al menos un centímetro de diámetro, simétricamente colocados en el mismo plano horizontal a una distancia de 571 mm uno de otro (1927)

longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo (1983)

tal que la velocidad de la luz en el vacío es exactamente igual a 299 792 458 metros por segundo

https://www.bipm.org/en/measurement-units/base-units.html

https://www.youtube.com/thebipm

https://www.youtube.com/thebipm




kilogramo masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1889)

masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1889)

tal que la constante de Planck es exactamente igual a 6.626 068 96 ×10-34

joule segundo

ampere Intensidad de una corriente constante que mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos de longitud infinita, cuya área de sección circular es despreciable, colocados a un metro de distancia entre sí, en el vacío, producirá entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10-7 newton por metro de longitud (1948)

tal que la carga elemental es exactamente igual a 1.602 176 487 ×10-19

coulomb






kelvin fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (1973)

tal que la constante de Boltzmann es exactamente igual a 1.380 650 4 ×10-23 joule por kelvin.

mol cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales como existan átomos en 0.012 kg de C12

(1971)

tal que la constante de Avogadro NA es exactamente igual a 6.022 141 79 ×1023

por mol.

candela Intensidad luminosa, en la dirección perpendicular a una superficie de 1/600 000 metros cuadrados, de un cuerpo negro a la temperatura de solidificación del platino bajo una presión de 101 325 newton por metro cuadrado.

Intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y cuya intensidad energética en esa dirección es 1/683 watt por esterorradián (1979)

tal que la eficacia espectral luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 ×1012 hertz es exactamente 683 lúmenes por watt.





4 unidades base, todas independientes y todas basadas en artefactos

kg – el prototipo internacional, un decilitro de aguam – basado en un meridiano terrestres – rotación de la tierraoC – puntos fijos del agua

kg m s oC

N

J

W

Unidades derivadas

Unidades de base

EL SISTEMA MÉTRICO DECIMAL (1880)



EL SISTEMA INTERNACIONAL EN 2018

s

kc e NAh

cdmolm kg A K

Cs-133(hps)

KConstantes Fundamentales

Unidades



m

B

IJosephson

vóltmetro

fuente de corriente

B

vJosephson

vóltmetro

fuente de corriente

Vind

láser

contador de franjas

Y AHORA, ¿CÓMO SABREMOS LOS NUEVOS VALORES DE MASA?

Para medir masas en términos del valor de hUn manera: Balanza de Kibble

m∙g∙v = Vind ∙ I

fe

hCCvgm HJ

3

2

2

Entonces,

y como

Tracing Planck’s constant to the kilogram by electromechanical methods, A Eichenberger, B Jeckelmann and P Richard, Metrologia 40 (2003) 356–365

fase estáticafase dinámica

g



Y AHORA, ¿CÓMO SABREMOS LOS NUEVOS VALORES DE MASA?

Para medir masas en términos del valor de hOtra manera: XRCD x-ray cristal density – conteo de átomos en un cristal

Ref: Fujii, Bettin, Becker, Massa, Rienitz, Pramann, Nicolaus, Kuramoto, Busch and Borys. Realization of the kilogram by the XRCD method. Metrologia 53 (2016) A19-A45.

a

Si28



PERO, ¿CUÁL ES LA MEJOR MANERA?

Las dos maneras son consistentes

Ref: Stock, Barat, Pinot, Beaudoux, Espel, Piquemal, Thomas, Ziane, Abbott, Haddad, Kubarych, Pratt, Schlamminger, Fujii, Fujita, Kuramoto, Mizushima, Zhang, Davidson, Green, Liard,

Sanchez, Wood, Bettin, Borys, Busch, Hampke, Krumrey and Nicolaus. A comparison of future realizations of the kilogram. Metrologia 53 (2018) T1-T7.



LABORATORIO

DE CALIBRACIÓN

SOPORTADAS EN UNA REFERENCIA CONFIABLE:trazabilidad metrológica

BIPMPATRÓN NACIONAL

PATRÓN DE REFERENCIA

PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO

MEDICIONES

UNIDAD

OTROSINSTITUTOS NACIONALES

DE METROLOGÍA

CIPM

CIPM: Comité Internacional de Pesas y MedidasBIPM: Oficina Internacional de Pesas y Medidas

INDUSTRIA

EVALUADORES DE LA

CONFORMIDAD

la masa de un kilogramo es tal que la constante de Planck es exactamente igual a 6.626 068 96 ×10-34

joule segundoRef: The SI Units, BIPM.



LABORATORIO

SECUNDARIO

DE CALIBRACIÓN

USUARIOS

PATRÓN NACIONAL


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO

MEDICIONES

INSTITUTO

NACIONAL DE

METROLOGÍA

PATRÓN NACIONAL


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO

MEDICIONES

REFERENCIA UNIVERSAL

CIPM-ARM

UNIDAD DE MEDIDA



¿Y LOS NUEVOS VALORES DE MASA?

u = 0Prototipo del kilogramo

Prototipo K21

Patrones detrabajo

Patrones dereferencia

Patrones parala industria

Mediciones enla industria

u ≈ 5 x 10-9

U ~ 5 x 10-6

U ~ 1 x 10-6

U ~ 5 x 10-8

U ~ 5 x 10-7

Prototipo del kilogramo

Prototipo K21

Patrones detrabajo

Patrones dereferencia

Patrones parala industria

Mediciones enla industria

hu = 0

u ~ 10-9



¿CUÁNDO MEDIR EN EL CICLO DE VIDA DE UN PRODUCTO?

descubrimiento

Investigación básica

Investigación estratégica

Innovaciónindustrial

comercia-lización

utilización desecho

ciclo de vida del producto



10-9 m 10-6 m 10-3 m

1 mm 1 mm 1 nm

10-10 m

1 Å

Tolerancias paraprecisión “normal

fulerenos

~1 nm

~30 nm

nanopartículasde plata

nanotubos de carbono

nanoescalaintervalo of dimensiones de 1 nm a 100 nm, aproximadamente

Ref: NMX-NAN0-27687-2010

Propiedades novedosas que no son extrapolaciones de la materia a tamaños mayores

100 nm

~0.1 nm

átomo de hidrógeno

LA NANOESCALA



LABORATORIO

DE CALIBRACIÓN

SOPORTADAS EN UNA REFERENCIA CONFIABLE:trazabilidad metrológica

BIPMPATRÓN NACIONAL


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO

MEDICIONES

UNIDAD

OTROSINSTITUTOS NACIONALES

DE METROLOGÍA

CIPM

CIPM: Comité Internacional de Pesas y MedidasBIPM: Oficina Internacional de Pesas y Medidas

INDUSTRIA

EVALUADORES DE LA

CONFORMIDAD

la longitud de un metro es tal que la velocidad de la luz en el vacío es exactamente igual a 299 792 458 metros por segundo

Ref: The SI Units, BIPM.



rejillas

medidas materializadas

cristales de silicio

difractometría óptica

interferometría óptica

interferometría óptica y de rayos X

cámar

a CCD

divisor de

haz

He-Ne laser

mesa

goniométr

ica

procesador de

imagen

f

il

t

r

o

1

2

-

1

-

2

-

3

reji

lla

RETO: DIVIDIR EL METRO EN 1000 MILLONES

Herrera, M. E., Viliesid A. M. (2010). Construcción de un instrumento para medición de rejillas de difracción. Simposio de Metrología 2010. CENAM.

PATRÓN NACIONAL


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO


PATRÓN DE TRABAJO

MEDICIONES



El propósito de la definición es decidir cuándo un material deba ser considerado como nanomaterial en el contexto de las regulaciones de la Unión Europea.

COMO CUALQUIER OTRA, LA NANOTECNOLOGÍA IMPLICA RIESGOS

¿Y CÓMO SABEMOS SI CUMPLIMOS?



REFLEXIONES FINALES

• Las definiciones de las unidades del Sistema Internacional se han sido revisadas cada vez que se demandan mayores exactitudes y se dispone de conocimientos suficientes para dar un respaldo sólido a las nuevas propuestas.

• El kilogramo es la única unidad aún definida por un artefacto después de poco más de 125 años.

• Dicho artefacto, el Prototipo de Kilogramo, es objeto de fundadas sospechas de estar sufriendo variaciones.

• Las denominadas constantes fundamentales, cuya invariancia ha sido demostrada hasta ahora por múltiples experimentos, son los candidatos naturales para servir de base a las nuevas definiciones, continuando con el enfoque seguido en la actual definición del metro en términos de la velocidad de la luz.

• A partir del 20 de mayo de 2019 entrarán en vigor las nuevas definiciones de las unidades de base del SI en términos de los valores fijados para algunas constantes fundamentales.

• Estos valores serán tales que aseguren la continuidad de los resultados de medición en los demás eslabones de las cadenas de trazabilidad.

CONSECUENCIAS: Las referencias son más estables y no implican variaciones en los valores de las mediciones ya hechas.



Rubén J. Lazos MartínezCentro Nacional de Metrología

[email protected] (442) 211 0575

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN Y SU TIEMPO

las nuevas definiciones de las unidades de medida del...

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