Очень общая метрология - [37]

Эталон количества вещества

Это моль, который в общем-то дублирует эталон массы, но сохраняется как понятие для удобства в основном химических вычислений. Отдельного эталона моля не существует. По определению, это такое количество вещества, которое содержит столько молекул, сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту — число Авогадро. Метрологи при упоминании моля морщатся и скорее всего еще при нас он будет исключен из списка основных единиц.

Эталон температуры

В физике есть несколько разных «температур», высокая метрология знает одну — термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии — Джоулях, или, того страшнее, в электронВольтах:) Она же входит в универсальный газовый закон. Поскольку для температуры нет естественного эталона, шкала температур условна и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина (наука), Цельсия (быт, Европа), Фаренгейта (быт, Америка). В некоторых регионах используется более простая шкала температур с тремя температурами — холодно, терпимо, жарко. На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка — тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы деление шкалы (Кельвин) совпадал с делением шкалы Цельсия (градус Цельсия), для упрощения пересчета. Другие реперные точки — точки фазовых переходов чистых веществ, интерполяция между точками делается термометрами сопротивления и газовым термометром.

Эталон тока

Исторически эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось — особо стабильным гальваническим элементом («нормальный элемент»).

Позже ампер определили через взаимодействие токов и эталоном стали токовые весы, в которых измеряется сила притяжения между двумя катушками с «эталонируемым» током, а эталоном напряжения стал нормальный элемент.

Ну а потом, как и следовало ожидать (скажем мы теперь, растопырив пальцы) произошел переход к квантовым стандартам. А именно, было показано, что при увеличении тока, протекающего через переход сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник, облучаемый СВЧ с некоторой частотой, напряжение на переходе увеличивается скачками величиной, зависящей от этой частоты, постоянной Планка и заряда электрона (эффект Джозефсона). Поскольку частота измеряется с высокой точностью, возникла возможность построения квантового эталона напряжения.

Далее, было показано, что на переходе металл-диэлектрик-полупроводник при низких температурах имеет место квантовый эффект Холла — при увеличении магнитного поля сопротивление изменяется скачками, зависящими только от постоянной Планка и заряда электрона. Таким образом, появляется возможность построения квантового эталона сопротивления. В обозримом будущем это, по-видимому, и произойдет. Соответственно, при наличии квантового эталона напряжения и тока, на их основе может быть дано новое определение ампера.

Эталон силы света

Свет — это электромагнитное излучение в диапазоне непосредственного восприятия человеком. Поэтому в технике и, соответственно, метрологии, ему уделяется большее внимание. Световых единиц, как известно, четыре — световой поток, сила света, светимость и яркость. С точки зрения физики, никаких новых единиц и новых эталонов для описания света не нужно вообще, это соответственно, Вт, Вт/стер, Вт/м² и Вт/ м²стер, и смысл величин ясен из размерностей. Но в этом случае нам нужны измерители мощности и энергии, с достаточной точностью измеряющие эти величины в оптическом диапазоне. На протяжении значительной части истории техники таким прибором, весьма чувствительным, хотя пригодным только для сравнительных измерений, был глаз человека. Система оптических величин базировалась на эталоне силы света, но сравнение силы света эталона и исследуемого источника проводилось «на глаз». Остальные единицы определялись через силу света и все четыре именовались, соответственно, люмен, кандела, люкс и кандела/м². Кандела эталонировалась излучением абсолютно черного тела при фиксированной температуре, потребность перевода «ваттных» единиц в оптические и обратно повлекла стандартизацию так называемой «кривой видности» — стандартной характеристики чувствительности глаза. В настоящее время кандела уже определяется через ватт, хотя как единица сохраняется по инерции. По-видимому, в обозримом будущем система единиц, базирующаяся на канделе, будет понемногу выходить из употребления.

В заключение раздела отметим, что бегать с каждой ученической линейкой в гости к эталону метра не удастся. Поэтому эталоны и средства измерений для каждой величины представляют пирамидальную структуру высокой сложности и стоимости. На вершине которой находятся государственные эталоны основных величин, много миллионные установки, изолированные комнаты, сложнейшие процедуры, ниже — рабочие эталоны разных классов, потом рабочие средства измерений, и наконец — напольные весы, на шкалу которых с ненужным трепетом смотрит лучшая часть человечества.