METROLOGÍA: SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, LA REVOLUCIÓN CUÁNTICA Y EL KILOGRAMO MASA
FUENTE; WIKIPEDIA
Saludos nuevamente público de steeniano, continúo con mis artículos sobre Metrología, la ciencia de las mediciones y sus aplicaciones. Esta vez seguimos con el tema de las unidades del sistema internacional SI y su evolución (o revolución cuántica). Como comentaba en el post anterior el Buro Internacional de Pesas y Medidas BIMP en Sèvres Francia, esta decidiendo este 18 de noviembre de 2018 cambiar las definiciones del Sistema Internacional de Unidades SI.
De todos los cambios planteados, la nueva definición del Kilogramo rompe con más de cien años de tradición Metrológica. La primera definición fue hecha en plena Revolución Francesa, un decímetro cúbico de agua (solo moléculas de H2O) a 3,98 °C (Celsius) y a una atmósfera de presión normal (760 mm Hg) equivalía a un kilogramo de masa. Esta definición no era muy exacta. Toda vez que el agua ultra pura era difícil de obtener en ese período. Aparte de que la densidad del agua sufre ligeramente un cambio con la presión, la cual por definición esta relacionada con la masa, creando un círculo vicioso de definiciones. Para superar ese problema tecnológico, nuevamente los Franceses decidieron crear en 1889 un patrón mediante la fabricación un cuerpo de platino e iridio (90% - 10%) de un volumen tal que su masa equivale a “un kilogramo”.
Hoy en día, el BIMP decidió usar siete (7) constantes físicas consideradas como “universales” o inherentemente estables en todo el universo que comprendemos. Es por ello que en la resolución número uno de la CGPM en su 24ª reunión de 2011, se proponen redefinir el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol a valores numéricos “exactos” de las constantes de Planck; h, carga elemental; e, constante de Boltzamann k y constante de Avogadro; NA respectivamente.
FUENTE; BIMP
Estas constantes universales permitirán a la Metrología re-definir nuevamente todas la unidades fundamentales del SI sin afectar las unidades derivadas de ellas. Sus ventajas radican en:
a) Las definiciones del SI, no dependerán de material alguno, sustancia o técnica de medición.
b) Serán validas en todo el Universo conocido y entendido por los humanos. Y serán estables en el tiempo, salvo que la estructura física del universo cambie. O que la ciencia mejore la medición de los valores de las constantes.
Para el caso del Kilogramo, los criterios acordados por el CIPM y CGPM para poder aprobar el nuevo SI, basado en las constantes universales mencionadas son que dichas constantes tengas incertidumbres menores que las del SI actual y que se cumpla lo siguiente:
i) Que al menos tres experimentos independientes, incluyendo la Balanza de potencia de Kibble y la esfera de Silicio permitan determinar el valor de h con una incertidumbre menor a 5 x 10-8.
ii) Que se compare el actual patrón del kilogramo internacional (BIMP) con el nuevo juego de masas utilizada en la balanza de Kibble y con la esfera de Silicio, conforme a las normas del CIPM.
iii) Las posteriores circulaciones del kilogramo sean validadas conforme a los principios de Acuerdo de Reconocimiento Mutuo del CIPM.
La nueva definición que se propone para el kilogramo es la siguiente:
El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa del SI. Se define al tomar como valor numérico fijo la constante de Planck (h) como 6.626 070 040 x 10-34 expresada en J s, la cual es igual a kg m2 s-1, donde el metro y el segundo están definidos en términos de la velocidad de la luz (c), y la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio 133 ΔνCs
El objetivo principal es cambiar al gran “K” como llaman cariñosamente al patrón materializado del kilogramo por la pequeña “h” mejor conocida como la constante de Planck, como reseñan algunos medios de comunicación masivo. El gran “K” guardado en Francia bajo tres campanas de vidrio en un ambiente controlado ultra limpio esta perdiendo peso (lo correcto es decir perdiendo masa) a razón de 50µg microgramo por centuria con respecto a los otros patrones fabricados y guardados en iguales condiciones. Algo demasiado grotesco para las mediciones del XXI. ¿Como será esta sustitución? fácil realizando los siguientes proyectos:
La Balanza de potencia de Kibble.
Este ingenio ideado por Bryan Kibble es un instrumento de medición experimental que permite comparar la potencia mecánica con la potencia eléctrica. Esta comparación permite relacionar la masa en un lado de la balanza con el campo electromagnético radial (B) que es producido por la intensidad eléctrica en un Bobina. La cual es correlacionada a su vez con la constante de Planck (h) a través del efecto Josephson.
En la siguiente figura podemos ver un esquema simplificado del experimento llevado acabo por los diferentes laboratorios del mundo:
Este proyecto se lleva acabo en dos fase, en la primera denominada estática, donde la fuerza (peso) ejercida por la masa (Fm = m g) es contrarrestada por la fuerza del campo electromagnético fuerza de Lorentz (Fel = IBL). En esta condición se pueden igualar las ecuaciones de la siguiente manera Fel = Fm; IBL = mg. La variables L, I y B denotan Longitud de la Bobina; Intensidad eléctrica y Campo Magnético Radial respectivamente. En la otra parte de la ecuación m es la masa puesta en el plato de la balanza y g la constante de aceleración gravitacional.
En una segunda fase del experimento denominada dinámica, la bobina se mueve de forma vertical dentro del Campo Magnético Radial, originando una tensión U equivalente a BLV. Si se igualan BL de ambas ecuaciones se tiene la siguiente expresión m g V= I U. Cada una de las variables de la parte izquierda de esta ecuación son “fáciles” de determinar. La gravedad se mediría empleando un Gravitómetro. La velocidad (V) del movimiento de la bobina se obtendría por interferometría láser.
La parte derecha correspondiente a U I, se emplearía los conceptos del efecto Josephson para U. Y de la caída de tensión en una resistencia eléctrica calibrada con una Resistencia Hall Cuántica para I. Estos conceptos cuánticos son los que permitirían introducir la constante de Planck en la ecuación general para este proyecto científico. Todo el tratamiento matemático para esta parte de la ecuación se resumen a U I = C h f f´. Donde C es un coeficiente de calibración (recuérdese que este proyecto es patrocinado por el BIMP, organismo encargado de las regulaciones de la metrología, por lo tanto el concepto de calibración es intrínsico a todo proceso de medición a este nivel), h es la constante de Planck, y f f´ son dos variables relacionadas con la frecuencia de irradiación de la unión Josephson. La ecuación final y su análisis dimensional serían:
La Esfera de Silicio (XRCD; X-ray Crystal Density).
Este otro ingenio, ideado para determinar la constante de Avogadro NA clave para relacionar cualquier magnitud a escala atómica con su equivalente macroscópico. Se basa en tratar de contar el número de átomos contenidos en una esfera de 1 kilogramo de silicio Si. Los objetivos de este experimento son dos, por un lado corroborar el valor NA con una incertidumbre tan bajo que equivaldría en errar por dos átomos, por cada 100 millones de átomos contados. Y por otro lado determinar la masa de la esfera de manera independiente a otras a las magnitudes y relacionarla con la constante de Planck que resulte del experimento de Kibble.
El volumen de la esfera es determinado mediante interferometria laser. Se eligió la esfericidad por adaptarse mejor a la instrumentación que se posee en la actualidad, por encima del hecho de que la estructura atómica cristalina del silicio es de distribución cubica. En este proyecto se medirá el espacio de las aristas (a) de cada celda cubica atómica de la red cristalina del silicio mediante difracción de rayos X. Siendo del orden de 0,543 nanómetros. De esta manera se obtiene el número de átomos en la esfera como ocho (8) veces el cociente entre el volumen de la esfera y el de la celda cubica atómica, esto es debido a la disposición de los átomos (cada celda cúbica contiene 8 átomos).
La masa de la esfera se puede obtener como el producto del número de átomos por la masa de cada átomo, siendo esto igual a la masa molar dividida por la constante de Avagadro. La masa molar de la esfera de silicio considera los tres isótopos del elemento químico. Por lo cual se emplearía la fracción molar de cada isótopo. Aunque se esta trabajando en la creación de una esfera con una fracción molar de 0,999 95 de 28Si. En este proyecto se enfatiza y distingue la diferencia entre cantidad de sustancia y masa. La ecuación final y su análisis dimensional serían:
Un manera de relacionar este proyecto con la constante de Planck y corroborar el el experimento de la Balance de Kibble, es sustituyendo a la constante de Avogadro por la formula de la constante de Rydberg y asi obtener la siguiente ecuación:
Los factores derechos de la ecuación como velocidad de la luz, constante de la estructura fina α y constante R α, son conocidos con incertidumbres casi nulas. Y las masas atómicas (Ai) de los isótopos del silicio y del electrón (Ae) por sus fracciones molares son conocida con muy buena exactitud..
Como mencione en el post anterior, estas nuevas definición tiene sus intríngulis y complicaciones científicas que pueden causar otros tipos de dolores de cabeza. Si bien William Phillips reclamaba que el patrón del kilogramo solo ha sido sacado un puñado veces del laboratorio de BIMP en dos siglos, la democratización del kilogramo como el bien lo dice, a mi parecer, no es muy fácil de materializar (lograr) por países pocos desarrollados. Pero la critica más interesante la hace Price, Gary (2011). A skeptic's review of the New SI, indicando que las definiciones circulares de las unidades hacen imposible detectar cualquier cambio en las constantes fundamentales universales. En las dos siguientes figura podemos ver la interrelación entre las unidades, antes y después de los cambios propuestos, tomado de wikipedia
Hasta pronto mis queridos amigos de steemit, espero que les haya gustado …
SALUDOS DESDE VENEZUELA
Patron de Kilogramo; WIKIPEDIA
¡Felicitaciones!
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Atentamente
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Muchas gracias, saludos a la Exergia.
Un honor recibir un premio del Proyecto en Cervantes, en su faceta científica y mas de un Nobel. Solo habia conocido a los artistas, osea a los orates.
SALUDOS DESDE VENEZUELA
Volviendo a steemit y que bueno encontrarme con articulos como este, comparto tu opinion que de aceptar la propuesta romperian con años de tradición metrológica sin embargo seria una invitación a actualizarnos sobretodo los ingenieros. Saludos.