Метрология
Как уже
говорилось, в 1889 году метр был принят равным расстоянию между двумя штрихами,
нанесенными на металлическом стержне Х- образного поперечного сечения (рис. 1).
Хотя международный и национальный эталоны метра были
изготовлены из сплава иридия и платины, отличающегося значительной твердостью и
большим сопротивлением окислению, однако не было полной уверенности в том, что
длина эталона с течением времени не изменится. Это объясняется тем, что
металлические стержни, подвергшиеся ранее термической и механической обработке,
получают внутренние упругие напряжения, которые вызывают медленные микрокристаллические
изменения их структуры. При периодических сравнениях эталонов метра различных
стран с международным прототипом нельзя обнаружить малых изменений их длины,
так как все эталоны изготовлены из одного и того же сплава, и, следовательно,
претерпевают одинаковые изменения. Погрешности сличения между собой платино-
иридиевых штриховых метров находятся в пределах ± 1,1 * 10 –7
мм (± 0,11 мкм).
Так как штрихи имеют значительную ширину,
существенно повысить точность этого сличения нельзя. Успехи физики и техники,
требование ещё более высокой точности определения линейных размеров привели
снова к естественному эталону длины.
В
1895 году II-я Генеральная конференция
по мерам и весам признала, естественным свидетелем размера метра является длина
световой волны монохроматического света. После изучения спектральных линий ряда
элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины
обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. XI Генеральная конференция по мерам и
весам в 1960 году приняла выражение размера метра в длинах этих волн как
наиболее точное его значение. На основе этого решения утверждено следующее
определение: метр- длина, равная 1650763,73 длины между уровнями 2р10 и
5d5 атома криптона-86.
Как
известно, квант световой энергии излучается или поглощается атомом при переходе
из одного стационарного состояния в другое. Частота f излучения (поглощения)
пропорциональна разности энергий состояний:
Где
Е1 и Е2 – уровни энергий,
h – постоянная Планка.
Если
Е2 > Е1, происходит
излучение электромагнитных волн, если Е2 < Е1 – поглощение.
При
распространении света в вакууме со скоростью света длина волны монохроматического
света равна:
От длины волны зависит и цвет
излучения.
Соввокупность частот излучений образует спектр.
Практически из-за нестабильности уровней энергии (за счет теплового движения
атома, влияния электрических и магнитных полей и других условий) спектральные
линии расширены, то есть представляют собой полосы частот. Исследование
спектральных линий при интерференции света показали, что спектральные линии,
излучаемые естественными элементами, не только расширены, но обладают сложным
контуром – сверхтонкой структурой. Далее оказалось, что четно-четные элементы
(с четными номерами в таблице Менделеева с четной атомной массой), имеют линии
с простым контуром. Такие элементы были получены благодаря достижениям техники
выделения изотопов. Наиболее тонкие и симметричные линии излучения
соответствуют переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона Kr 86.
Метр в длинах световых волн воспроизводится
интерференционным методом на специальной установке с помощью лампы, заполненной
криптоном-86. С целью получения необходимых условий для излучения линии
криптона заключают в капилляр, и охлаждают жидким азотом до 58 – 60 К.
Возбуждение атомов криптона производится путем пропускания через него
электрического тока.
Осуществление этого нового метода воспроизведения
метра примерно до 10 –8 м, что позволяет выразить результат
измерений (в самом благоприятном случае), уже числом из восьми цифр.
Значит ли это, что эталон- стержень потерял свое
значение, или изменил свой размер? Нет, его размер не изменился, и точность
измерений он обеспечивает ту же, но потерял свое первенство. Теперь первичным
эталоном стала длина волны оранжевой линии спектра криптона, точнее, длина
1650763,73 этих волн. Кроме повышения точности измерения (там, где это
необходимо), новый первичный эталон дает возможность следить за постоянством
платино- иридиевого эталона, ставшего теперь вторичным эталоном.
В последнее время ведутся работы по дальнейшему
повышению точности воспроизведения метра. Исследуются пути использования цепи
лазера.
|
