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"IPK" vuelve a dirigir aquí. Para el material plástico, consulte IPK Acrílico-cloruro de polivinilo .
Una réplica del kilogramo prototipo expuesto en la Cité des Sciences et de l'Industrie , con la campana protectora de vidrio doble.

El prototipo internacional del kilogramo (denominado por los metrólogos como IPK o Le Grand K ; a veces llamado ur -kilogramo, [1] [2] o urkilograma, [3] particularmente por los autores en alemán que escriben en inglés [3] [4] : 30 [5] : 64 ) es un objeto que se utilizó para definir la magnitud de la masa del kilogramo desde 1889, cuando reemplazó al Kilogram des Archives , [6] hasta 2019, cuando fue reemplazado por un nueva definición del kilogramobasado en constantes físicas . [7] Durante ese tiempo, el IPK y sus duplicados se utilizaron para calibrar todos los demás estándares de masa en kilogramos en la Tierra.

El IPK es un objeto del tamaño aproximado de una pelota de golf hecho de una aleación de platino conocida como "Pt-10Ir", que es 90% de platino y 10% de iridio (en masa) y está mecanizado en un cilindro circular recto con una altura igual a su diámetro. de unos 39 milímetros para reducir su superficie. [8] La adición de 10% de iridio mejoró los Kilogram des Archives, todos de platino, al aumentar enormemente la dureza y al mismo tiempo conservar las muchas virtudes del platino: resistencia extrema a la oxidación , densidad extremadamente alta (casi el doble que el plomo y más de 21 veces denso como agua ), conductividades eléctricas y térmicas satisfactorias y baja susceptibilidad magnética . El IPK y sus seis copias hermanas se almacenan en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (conocido por sus iniciales en francés BIPM) en una caja fuerte con monitoreo ambiental en la bóveda inferior ubicada en el sótano del Pavillon de Breteuil del BIPM en Saint-Cloud. [Nota 1] en las afueras de París (ver imágenes externas, a continuación, para fotografías). Se requieren tres llaves controladas de forma independiente para abrir la bóveda. Se pusieron a disposición de otras naciones copias oficiales del IPK para que sirvieran como estándares nacionales. Estos se compararon con el IPK aproximadamente cada 40 años, proporcionando así la trazabilidad de las mediciones locales hasta el IPK. [9]

Creación [ editar ]

La Convención del Metro se firmó el 20 de mayo de 1875 y formalizó aún más el sistema métrico (un predecesor del SI ), lo que llevó rápidamente a la producción del IPK. El IPK es uno de los tres cilindros fabricados en 1879 por Johnson Matthey , que continuó fabricando casi todos los prototipos nacionales según fue necesario hasta que la nueva definición del kilogramo entró en vigor en 2020. [10] [11] En 1883, la masa del IPK resultó ser indistinguible del del Kilogram des Archives realizado ochenta y cuatro años antes, y fue ratificado formalmente como el kilogramo por la 1ª CGPM en 1889. [8]

Copias del IPK [ editar ]

Prototipo nacional kilogramo K20, uno de los dos prototipos almacenados en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. En Gaithersburg, Maryland , que sirven como estándares primarios para definir todas las unidades de masa y peso en los Estados Unidos. Se trata de una réplica para exhibición pública, mostrada como normalmente se almacena, debajo de dos campanas.

Las diversas copias del IPK reciben las siguientes designaciones en la literatura:

  • El propio IPS, almacenado en la bóveda del BIPM en Saint-Cloud , Francia.
  • Seis copias hermanas: K1, 7, 8 (41), [Nota 2] 32, 43 y 47. [12] Almacenadas en la misma bóveda en el BIPM.
  • Diez ejemplares de trabajo: ocho (9, 31, 42 ′, 63, 77, 88, 91 y 650 [Nota 3] ) para uso habitual y dos (25 y 73) para uso especial. [13] Guardado en el laboratorio de calibración del BIPM en Saint-Cloud, Francia.
  • Prototipos nacionales, almacenados en [14] [15] [16] [17] Argentina (30), Australia (44 y 87), Austria (49), Bélgica (28 y 37), Brasil (66), Canadá (50 y 74), China (60 y 64; 75 en Hong Kong ), República Checa (67), Dinamarca (48), Egipto (58), Finlandia (23), Francia (35), Alemania (52, 55 y 70), Hungría (16), India (57), Indonesia (46), Israel(71), Italia (5 y 76), Japón (6, 94 y E59), Kazajstán , Kenia (95), México (21, 90 y 96), Países Bajos (53), Corea del Norte (68), Noruega (36 ), Pakistán (93), Polonia (51), Portugal (69), Rumanía (2), Rusia (12 y 26 [18] ), Serbia (11 y 29), Singapur (83), Eslovaquia (41 y 65) , Sudáfrica (56), Corea del Sur (39, 72 y 84), España(24 y 3), Suecia (40 y 86), [19] Suiza (38 y 89), Taiwán (78), Tailandia (80), Turquía (54 [20] ), Reino Unido (18, [21] 81 y 82), y Estados Unidos (20, [22] 4, 79, 85 y 92).
  • Algunas copias adicionales en poder de organizaciones no nacionales, como la Academia de Ciencias de Francia en París (34) y el Istituto di Metrologia G. Colonnetti en Turín (62). [14]

Estabilidad del IPK [ editar ]

Antes de 2019, por definición, el error en el valor medido de la masa del IPK era exactamente cero; la masa del IPK fue el kilogramo. Sin embargo, cualquier cambio en la masa del IPK a lo largo del tiempo podría deducirse comparando su masa con la de sus copias oficiales almacenadas en todo el mundo, un proceso que rara vez se lleva a cabo llamado "verificación periódica". Las únicas tres verificaciones ocurrieron en 1889, 1948 y 1989. Por ejemplo, EE. UU. Posee cinco kilogramos estándar de 90% platino / 10%  iridio (Pt-10Ir), dos de los cuales, K4 y K20, son del lote original de 40 réplicas entregadas en 1884. [Nota 4]El prototipo K20 fue designado como el principal estándar nacional de masa para los EE. UU. Ambos, así como los de otras naciones, se devuelven periódicamente al BIPM para su verificación. Se tiene mucho cuidado al transportar prototipos. En 1984, los prototipos K4 y K20 fueron transportados a mano en la sección de pasajeros de aviones comerciales separados.

Tenga en cuenta que ninguna de las réplicas tiene una masa exactamente igual a la del IPK; sus masas están calibradas y documentadas como valores de compensación. Por ejemplo, K20, el estándar primario de los EE. UU., Originalmente tenía una masa oficial de 1 kg - 39 μg (microgramos) en 1889; es decir, K20 fue 39  μg menos que el IPK. Una verificación realizada en 1948 mostró una masa de 1 kg - 19 μg. La última verificación realizada en 1989 muestra una masa exactamente idéntica a su valor original de 1889. A diferencia de variaciones transitorias como esta, el estándar de verificación de EE. UU., K4, ha disminuido persistentemente en masa en relación con el IPK, y por una razón identificable: los estándares de verificación se utilizan con mucha más frecuencia que los patrones primarios y son propensos a rayones y otros desgastes. El K4 se entregó originalmente con una masa oficial de 1 kg - 75 μg en 1889, pero a partir de 1989 se calibró oficialmente a 1 kg - 106 μg y diez años más tarde fue de 1 kg - 116 μg. Durante un período de 110 años, K4 perdió 41  μg en relación con el IPK. [23]

Desviación masiva a lo largo del tiempo de los prototipos nacionales K21-K40 , más dos de las copias hermanas del IPK: K32 y K8 (41). [Nota 2] Todos los cambios masivos son relativos al IPK. Las compensaciones iniciales del valor inicial de 1889 en relación con el IPK han sido anuladas. [14] Las anteriores son todas medidas relativas ; no se dispone de datos históricos de medición de masa para determinar cuál de los prototipos ha sido más estable en relación con un invariante de la naturaleza. Existe la clara posibilidad de que todos los prototipos ganaron masa durante 100 años y que K21, K35, K40 y el IPK simplemente ganaron menos que los demás.

Más allá del simple desgaste que pueden experimentar los estándares de verificación, la masa de incluso los prototipos nacionales cuidadosamente almacenados puede variar en relación con el IPK por una variedad de razones, algunas conocidas y otras desconocidas. Dado que el IPK y sus réplicas se almacenan en el aire (aunque bajo dos o más tarros de campana anidados ), ganan masa a través de la adsorción de contaminación atmosférica en sus superficies. En consecuencia, se limpian en un proceso que el BIPM desarrolló entre 1939 y 1946 conocido como "el método de limpieza BIPM" [24] que consiste en frotar firmemente con una gamuza empapada en partes iguales de éter y etanol , seguido de una limpieza a vapor con agua bidestilada.y permitir que los prototipos se asienten durante 7 a 10 días antes de la verificación. Antes del informe publicado por BIPM en 1994 que detallaba el cambio relativo en la masa de los prototipos, diferentes cuerpos estándar usaban diferentes técnicas para limpiar sus prototipos. La práctica del NIST antes de entonces era remojar y enjuagar sus dos prototipos primero en benceno , luego en etanol, y luego limpiarlos con un chorro de vapor de agua bidestilada. La limpieza de los prototipos elimina entre 5 y 60  μg de contaminación dependiendo en gran medida del tiempo transcurrido desde la última limpieza. Además, una segunda limpieza puede eliminar hasta 10 μg más. Después de la limpieza, incluso cuando están almacenados debajo de sus tarros de campana, el IPK y sus réplicas comienzan inmediatamente a ganar masa nuevamente. El BIPM incluso desarrolló un modelo de esta ganancia y concluyó que promedió 1,11  μg por mes durante los primeros 3 meses después de la limpieza y luego disminuyó a un promedio de aproximadamente 1  μg por año a partir de entonces. Dado que los estándares de verificación como K4 no se limpian para calibraciones de rutina de otros estándares de masa, una precaución para minimizar el potencial de desgaste y daños por manipulación, el modelo BIPM de ganancia de masa dependiente del tiempo se ha utilizado como un factor de corrección "después de la limpieza".

Debido a que las primeras cuarenta copias oficiales están hechas de la misma aleación que el IPK y se almacenan en condiciones similares, las verificaciones periódicas utilizando un gran número de réplicas, especialmente los estándares primarios nacionales, que rara vez se utilizan, pueden demostrar de manera convincente la estabilidad del IPK. . Lo que ha quedado claro después de la tercera verificación periódica realizada entre 1988 y 1992 es que las masas de todo el conjunto mundial de prototipos han ido divergiendo lenta pero inexorablemente unas de otras. También está claro que el IPK perdió quizás 50  μg de masa durante el último siglo, y posiblemente significativamente más, en comparación con sus copias oficiales. [14] [25]La razón de esta deriva ha eludido a los físicos que han dedicado sus carreras a la unidad de masa del SI. No se ha propuesto ningún mecanismo plausible para explicar ni una disminución constante en la masa del IPK ni un aumento en la de sus réplicas dispersas por todo el mundo. [Nota 5] [26] [27] [28] Además, no hay medios técnicos disponibles para determinar si todo el conjunto mundial de prototipos sufre o no tendencias a largo plazo aún mayores hacia arriba o hacia abajo debido a que su masa "en relación con un invariante de naturaleza se desconoce a un nivel por debajo de 1000  μg durante un período de 100 o incluso 50 años ". [25]Dada la falta de datos que identifiquen cuál de los prototipos de kilogramos del mundo ha sido más estable en términos absolutos, es igualmente válido afirmar que el primer lote de réplicas, como grupo, ha ganado un promedio de alrededor de 25  μg durante cien años en comparación con el IPK. [Nota 6]

Lo que se sabe específicamente sobre el IPK es que exhibe una inestabilidad a corto plazo de aproximadamente 30  μg durante un período de aproximadamente un mes en su masa después de la limpieza. [29] No se comprende la razón precisa de esta inestabilidad a corto plazo, pero se cree que conlleva efectos superficiales: diferencias microscópicas entre las superficies pulidas de los prototipos, posiblemente agravadas por la absorción de hidrógeno debido a la catálisis de los compuestos orgánicos volátiles que se depositan lentamente en la superficie. prototipos, así como los disolventes a base de hidrocarburos utilizados para limpiarlos. [28] [30]

Ha sido posible descartar muchas explicaciones de las divergencias observadas en las masas de los prototipos mundiales propuestos por científicos y el público en general. Las preguntas frecuentes de BIPM explican, por ejemplo, que la divergencia depende de la cantidad de tiempo transcurrido entre las mediciones y no depende de la cantidad de veces que el prototipo o sus copias se hayan limpiado o de los posibles cambios en la gravedad o el entorno. [31] Los informes publicados en 2013 por Peter Cumpson de la Universidad de Newcastle basados ​​en la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de muestras que se almacenaron junto con varios kilogramos prototipo sugirieron que una fuente de la divergencia entre los distintos prototipos podría atribuirse al mercurio.que había sido absorbido por los prototipos que se encontraban en las proximidades de instrumentos a base de mercurio. El IPK se ha almacenado a centímetros de un termómetro de mercurio desde al menos desde finales de la década de 1980. [32] En este trabajo de la Universidad de Newcastle, se descubrió que seis pesas de platino fabricadas en el siglo XIX tenían mercurio en la superficie, la más contaminada de las cuales tenía el equivalente a 250  μg de mercurio cuando se escalaba al área de superficie de un prototipo de kilogramo.

La creciente divergencia en las masas de los prototipos del mundo y la inestabilidad a corto plazo en el IPK impulsaron la investigación de métodos mejorados para obtener un acabado de superficie suave utilizando torneado de diamantes en réplicas recién fabricadas y fue una de las razones que llevaron a la redefinición de la Kilogramo. [33]

Dependencia del SI en el IPK [ editar ]

Hasta mayo de 2019, la magnitud de muchas de las unidades que componen el sistema de medición SI, incluida la mayoría de las que se utilizan en la medición de la electricidad y la luz, dependían en gran medida de la estabilidad de un sistema. Cilindro de metal del tamaño de una pelota de golf de 142 años almacenado en una bóveda en Francia.

La estabilidad del IPK fue crucial porque el kilogramo sustentaba gran parte del sistema de medición SI tal como se definió y estructuraba hasta 2019. Por ejemplo, el newton se define como la fuerza necesaria para acelerar un kilogramo a un metro por segundo al cuadrado . Si la masa del IPK cambiara ligeramente, el newton también cambiaría proporcionalmente. A su vez, el pascal , la unidad SI de presión , se define en términos de newton. Esta cadena de dependencia sigue a muchas otras unidades de medida del SI. Por ejemplo, el joule , la unidad SI de energía , se define como el gastado cuando una fuerza de un newton actúa a través de un metro.. El siguiente en verse afectado es la unidad de potencia SI , el vatio , que es un julio por segundo.

Hasta mayo de 2019, el amperio también se definía en relación con el newton. Con la magnitud de las unidades primarias de electricidad así determinada por el kilogramo, siguieron muchos otros, a saber, el culombio , el voltio , el tesla y el weber . Incluso las unidades utilizadas en la medida de la luz se verían afectadas; la candela —siguiente al cambio de vatio— afectaría a su vez el lumen y el lux . 

Debido a que la magnitud de muchas de las unidades que componen el sistema SI de medición estaba definida hasta 2019 por su masa, la calidad del IPK se protegió diligentemente para preservar la integridad del sistema SI. Sin embargo, es probable que la masa promedio del conjunto mundial de prototipos y la masa del IPK hayan divergido otros 7,5  μg desde la tercera verificación periódica. Hace 32 años. [Nota 7] Además, los laboratorios nacionales de metrología del mundo deben esperar a la cuarta verificación periódica para confirmar si  persistieron las tendencias históricas .

Efectos aislantes de las realizaciones prácticas [ editar ]

Afortunadamente, las definiciones de las unidades SI son bastante diferentes de sus realizaciones prácticas . Por ejemplo, el metro se define como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 ⁄ 299,792,458 de un segundo. Sin embargo, la realización práctica del metro generalmente toma la forma de un láser de helio-neón, y la longitud del metro está delineada, no definida, como1 579 800 .298 728 longitudes de onda de luz de este láser. Ahora suponga que se encontró que la medición oficial del segundo se desvió en unas pocas partes por mil millones (en realidad es extremadamente estable con una reproducibilidad de unas pocas partes en 10 15 ). [34] No habría ningún efecto automático en el medidor porque el segundo, y por lo tanto la longitud del metro, se abstrae a través del láser que comprende la realización práctica del metro. Los científicos que realizan calibraciones de medidores simplemente continuarían midiendo el mismo número de longitudes de onda láser hasta que se llegara a un acuerdo para hacer lo contrario. Lo mismo es cierto con respecto a la dependencia del kilogramo en el mundo real: si se encontrara que la masa del IPK ha cambiado ligeramente, no habría ningún efecto automático sobre las otras unidades de medida porque sus realizaciones prácticas proporcionan una capa aislante de abstracción. Sin embargo, cualquier discrepancia eventualmente tendría que reconciliarse, porque la virtud del sistema SI es su armonía matemática y lógica precisa entre sus unidades. Si el IPK 'Si se hubiera demostrado definitivamente que el valor había cambiado, una solución hubiera sido simplemente redefinir el kilogramo como igual a la masa del IPK más un valor de compensación, de manera similar a lo que se había hecho anteriormente con sus réplicas; por ejemplo, "el kilogramo es igual a la masa delIPK + 42 partes por mil millones " (equivalente a 42  μg).

Sin embargo, la solución a largo plazo a este problema fue liberar la dependencia del sistema SI del IPK mediante el desarrollo de una realización práctica del kilogramo que se puede reproducir en diferentes laboratorios siguiendo una especificación escrita. Las unidades de medida en tal realización práctica tendrían sus magnitudes definidas con precisión y expresadas en términos de constantes físicas fundamentales . Si bien la mayor parte del sistema SI todavía se basa en el kilogramo, ahora el kilogramo se basa a su vez en constantes universales e invariantes de la naturaleza.

Referencias [ editar ]

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Notas [ editar ]

  1. ↑ La dirección postal del Pavillon (y por lo tanto del BIPM) está en la comuna vecina de Sèvres , por lo que a menudo se informa que está ubicada allí, pero los terrenos están en la comuna de Saint-Cloud ( OpenStreetMap ).
  2. ^ a b El prototipo No. 8 (41) fue estampado accidentalmente con el número 41, pero sus accesorios llevan el número correcto 8. Como no hay ningún prototipo marcado con 8, este prototipo se conoce como 8 (41).
  3. ^ Los números 42 ′, 77 y 650 se denominan "estándares" en lugar de "prototipos" porque tienen un peso ligeramente inferior al normal, ya que se ha eliminado un poco de material cuando se fabricaron. Además de estar más de 1 mg por debajo de la masa nominal de 1 kg, son idénticos a los prototipos y se utilizan durante el trabajo de calibración de rutina.
  4. ^ Los otros dos estándares Pt-10Ir propiedad de los EE. UU. Son K79, de una nueva serie de prototipos (K64-K80) que se tornearon directamente con diamante para obtener una masa de acabado, y K85, que se utiliza paraexperimentos de balance de croquetas.
  5. ^ Tenga en cuenta que si la diferencia de 50 μg entre el IPK y sus réplicas se debiera por completo al desgaste, el IPK tendría que haber perdido 150 millones de billones de átomos de platino e iridio más durante el último siglo que sus réplicas.Se cree que es poco probableque haya tanto desgaste, y mucho menos una diferencia de esta magnitud; 50 μg es aproximadamente la masa de una huella dactilar. Los especialistas del BIPM en 1946 llevaron a cabo cuidadosamente experimentos de limpieza y concluyeron que incluso losfrotar con una gamuza, si se hace con cuidado, no alteró la masa de los prototipos. Los experimentos de limpieza más recientes en el BIPM, que se llevaron a cabo en un prototipo en particular (K63) y que se beneficiaron del entonces nuevo equilibrio NBS-2, demostraron una estabilidad de 2 μg. Los experimentos con los prototipos n. ° 7 y 32 en enero de 2014 mostraron menos de 0,5 μg de masa perdida en un tercer ciclo completo de limpieza y lavado. [13]
        Se han propuesto muchas teorías para explicar la divergencia en las masas de los prototipos. Una teoría postula que el cambio relativo de masa entre el IPK y sus réplicas no es de pérdida en absoluto, sino que es una cuestión simple de que el IPK ha ganado menos.que las réplicas. Esta teoría comienza con la observación de que el IPK se almacena de forma única bajo tres jarras de campana anidadas, mientras que sus seis copias hermanas almacenadas junto a él en la bóveda, así como las otras réplicas dispersas por todo el mundo, se almacenan bajo sólo dos. Esta teoría también se basa en otros dos hechos: que el platino tiene una fuerte afinidad por el mercurio, y que el mercurio atmosférico es mucho más abundante en la atmósfera actual que en el momento en que se fabricaron el IPK y sus réplicas. La quema de carbón es un importante contribuyente al mercurio atmosférico y tanto Dinamarca como Alemania tienen una alta participación de carbón en la generación eléctrica. Por el contrario, la generación eléctrica en Francia, donde se almacena el IPK, es principalmente nuclear. Esta teoría está respaldada por el hecho de que la tasa de divergencia masiva, en relación con el IPK, del prototipo de Dinamarca,K48, desde que tomó posesión en 1949 es un 78 μg por siglo especialmente alto, mientras que el del prototipo de Alemania ha sido aún mayor en126 μg / siglo desde que tomó posesión de K55 en 1954. Sin embargo, otros datos de otras réplicas no apoyan esta teoría. Esta teoría de la absorción de mercurio es solo una de las muchas propuestas por los especialistas para explicar el cambio relativo de masa. Hasta la fecha, cada teoría ha demostrado ser inverosímil o hay datos o medios técnicos insuficientes para probarla o refutarla.
  6. ^ El cambio medio en la masa del primer lote de réplicas en relación con el IPK durante cien años es +23,5 μg con una desviación estándar de 30 μg. Según la tercera verificación periódica de los prototipos nacionales del kilogramo (1988-1992) , G. Girard, Metrologia 31 (1994) pág. 323, Tabla 3. Los datos son para los prototipos K1, K5, K6, K7, K8 (41), K12, K16, K18, K20, K21, K24, K32, K34, K35, K36, K37, K38 y K40; y excluye K2, K23 y K39, que se tratan como valores atípicos. Este es un conjunto de datos más grande que el que se muestra en la tabla en la parte superior de esta sección, que corresponde a la Figura 7 del artículo de G. Girard. 
  7. ^ Suponiendo que continúe la tendencia pasada, según la cual el cambio medio en la masa del primer lote de réplicas en relación con el IPK durante cien años fue de +23,5 σ 30  μg.

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Imágenes externas
icono de imagenBIPM: el IPK en tres tarros de campana anidados
icono de imagenNIST: K20, el kilogramo prototipo nacional de EE. UU. Que descansa sobre un panel de luz fluorescente de caja de huevos
icono de imagenBIPM: limpieza a vapor de un prototipo de 1 kg antes de una comparación de masas
icono de imagenBIPM: El IPK y sus seis copias hermanas en su bóveda.
icono de imagenNIST: Esta balanza Rueprecht en particular , una balanza de precisión fabricada en Austria, fue utilizada por el NIST desde 1945 hasta 1960.
icono de imagenBIPM: la balanza de banda de flexión FB-2 , la balanza de precisión moderna de BIPM con una desviación estándar de una diez mil millonésima parte de un kilogramo (0,1  μg)
icono de imagenBIPM: balanza Mettler HK1000 , con una  resolución de 1 μg y una  masa máxima de 4 kg. También utilizado por NIST y el Laboratorio de Estándares Primarios de Sandia National Laboratories
  • El Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL): ¿Hay algún problema causado por tener el kilogramo definido en términos de un artefacto físico? (Preguntas frecuentes - Masa y densidad)
  • Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM): página de inicio
  • NZZ Folio: lo que realmente pesa un kilogramo
  • NPR: Este kilogramo tiene un problema de pérdida de peso , una entrevista con el físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología Richard Steiner
  • Sample, Ian (9 de noviembre de 2018). "En el balance: los científicos votan sobre el primer cambio a kilogramo en un siglo" . The Guardian . Consultado el 9 de noviembre de 2018 .

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  • El canal de YouTube BIPM