ЧЕРТОВ А.Г. "ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН", 1977

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ

Мощность дозы излучения (мощность поглощенной дозы излучения). Мощностью дозы излучения называют величину, равную отношению дозы излучения ΔD ко времени облучения Δt, т.е.

= ΔDt. (13.14)

Положив ΔD = 1 Гй, Δt = 1 с, найдем единицу мощности дозы излучения:

[] = 1 Гй/1с = 1 Гй/с.

Грей в секунду равен мощности дозы излучения, при которой за время 1 с поглощенная доза излучения возрастает на 1 Гй. В греях в секунду выражается также мощность эквивалентной дозы излучения. Размерность мощности дозы излучения:

dim = L2T-3.

Мощность кермы. Мощностью кермы называют величину, равную отношению увеличения кермы ΔК ко времени, за которое произошло это увеличение, т.е.

(13.15)

Положив ΔK = 1Дж/кг, Δt = 1 с, получим единицу мощности кермы:

Ватт на килограмм равен мощности кермы косвенно ионизирующего излучения, эквивалентной мощности дозы излучения 1 Вт/кг. Размерность мощности кермы:

Мощность кермы, как и следовало ожидать, выражается в тех же единицах и имеет ту же размерность, что и мощность дозы излучения.

Экспозиционная доза фотонного излучения (экспозиционная доза гамма- и рентгеновского излучений). Экспозиционная доза фотонного излучения есть величина, равная отношению суммы электрических зарядов ΔQ всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе при условии полного использования ионизирующей способности электронов, к массе Δm этого воздуха:

X = ΔQm. (13.16)

Положив здесь ΔQ = 1 Кл, Δm = 1 кг, получим единицу экспозиционной дозы фотонного излучения:

[X] = 1 Кл/1 кг = 1 Кл/кг.

Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой сумма электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе массой 1 кг при условии полного использования ионизирующей способности электронов, равна 1 Кл. Размерность экспозиционной дозы:

Мощность экспозиционной дозы фотонного излучения. Мощностью экспозиционной дозы фотонного излучения называют величину, равную отношению экспозиционной дозы ΔХ фотонного излучения к интервалу времени Δt, за который получена эта доза, т.е.

= ΔXt. (13.17)

Положив ΔХ = 1 Кл/кг, Δt = 1 с, найдем единицу мощности экспозиционной дозы фотонного излучения:

Ампер на килограмм равен мощности экспозиционной дозы фотонного излучения, при которой за время 1 с экспозиционная доза возрастает на 1 Кл/кг. Размерность мощности экспозиционной дозы фотонного излучения:

dim = M-1I.

Гиромагнитное отношение. Гиромагнитным отношением γ элементарной частицы (электрона, протона) называют величину, равную отношению магнитного момента μ частицы к ее моменту импульса (спину) L, т.е.

γ = μ/L. (13.18)

Положив μ = 1 А·м2, L = 1 кг·м2·с-1, получим единицу гиромагнитного отношения:

Эта единица называется герц на тесла. Размерность гиромагнитного отношения:

dim γ = M-1TI.

§ 14. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ЭТАЛОНЫ ОСНОВНЫХ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЕДИНИЦ СИ

Меры единиц в процессе их использования могут быть утрачены. Поэтому в пределах отдельного государства и в международном масштабе организуется храпение мер единиц. С этой целью для основных и важнейших производных единиц изготавливаются их эталоны. Эталон единицы - это средство измерений (пли комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера.

Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называют первичным. Эталон, значение которого устанавливают по первичному эталону, называют вторичным. Государственные первичные эталоны СССР хранятся во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева в г. Ленинграде.

Приведем определения основных единиц Международной системы и краткие описания их эталонов.

Единица длины - метр

Метр был впервые определен как одна десятимиллионная часть четверти Парижского меридиана. Измерения части дуги этого меридиана были произведены при установлении Метрической системы мер комиссией ученых, созданной Парижской Академией наук. На основе этих измерений был изготовлен прототип метра, утвержденный Национальным собранием Франции в 1799 г.

Прототип (эталон) метра представлял собой платиновую линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами, равным одному метру. Этот прототип, получивший название "метр Архива", хранится в Национальном Архиве Франции.

Позднее выяснилось, что при повторных измерениях метр не может быть точно воспроизведен из-за неизбежных ошибок, допускаемых при измерениях, а также из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли. Поэтому пришлось отказаться от "естественного" эталона метра и принять в качестве исходной меры длины "метр Архива". По нему был изготовлен 31 эталон из платино-иридиевого сплава. Один из них (эталон № 6), как наиболее точно воспроизводивший "метр Архива", по постановлению I Генеральной конференции номерам и весам (1889 г.) был утвержден в качестве Международного прототипа метра. Этот эталон представляет собой стержень длиной 102 см. Поперечное сечение его изображено на рис. 1, а (размеры указаны в миллиметрах). На обоих концах стержня на специально отполированных участках нанесены по три поперечных и два продольных штриха (рис. 1, б).

Рис. 1

Расстояние между осями средних штрихов было принято за 1 м.

Определение метра с помощью штрихового эталона неудовлетворительно в двух отношениях. Во-первых, штриховой эталон метра является искусственным и в случае утраты не может быть воспроизведен. Во-вторых, это определение не обеспечило необходимой точности. Ширина штрихов, нанесенных на прототипе метра и устанавливающих его длину, составляет 10 мкм. При сличении эталонов метра с прототипом неизбежно допускалась абсолютная погрешность не менее 0,1 мкм или относительная погрешность 1·10-7.

Поэтому было решено отказаться от штрихового эталона метра и связать единицу длины с какой-нибудь "естественной" мерой, взятой из природы. Удобной для этих целей оказалась длина электромагнитной волны.

Известно, что излучения раскаленных паров и газов дают линейчатые спектры. Каждая линия спектра данного газа соответствует переходу электрона в атоме с одной орбиты на другую или, говоря точнее, переходу атома из одного стационарного состояния в другое. Если энергия атома в первом состоянии E1, а во втором Е2, причем Е1 > Е2, то при переходе из первого состояния во второе атом излучает фотон, частота ν и длина волны λ которого определяются из соотношения

ν = c/λ = (E1 - Е2)/h, (14.1)

где с - скорость электромагнитных волн в вакууме, h - постоянная Планка.

Длины волн спектральных линий подчиняются строгим закономерностям и при определенных условиях излучения остаются постоянными. Поэтому длина волны, соответствующая какой-нибудь спектральной линии, или некоторое число этих длин волн может быть принято за естественный эталон длины.

Но спектральные линии в линейчатых спектрах не являются строго монохроматическими, т.е. каждая линия содержит не одну длину волны λ, а некоторый интервал длин волн Δλ вблизи длины волны λ. Иначе говоря, каждая спектральная линия обладает некоторой шириной. Ширина линий различна не только в спектрах разных элементов, но и в пределах данного спектра. Ясно, что чем меньше интервал Δλ спектральной линии, чем она ӳже, тем точнее можно определить длину волны данной линии. Поэтому в качестве эталона длины выгоднее брать длину волны, соответствующую узкой спектральной линии.

Ширина данной спектральной линии может меняться в зависимости от условий излучения. Эта зависимость для разных линий также различна. Ясно, что чем меньше меняется ширина линий от внешних условий, тем точнее можно определить длину ее волны. Поэтому в качестве эталона длины выгоднее брать длину волны, соответствующую такой линии, ширина которой более стабильна.

Из сказанного вытекает, что в качестве эталона длины следует выбрать излучение такого элемента, в спектре которого имеется наиболее узкая линия, отличающаяся в то же время максимально возможным постоянством ширины. В результате многочисленных исследований было найдено, что наилучшим образом этим двум требованиям удовлетворяет оранжевая линия в спектре криптона-86 (86Кr), которая соответствует переходу между уровнями 2р10 и 5d5. В связи с этим на XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960 г.) было дано определение:

"Метр равен длине 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5, атома криптона-86".

Воспроизведение метра на основе сравнения его с длиной волны света производится посредством криптоновой лампы (рис. 2). Она представляет собой U-образную стеклянную трубку 1, заполненную криптоном-86. Пропуская электрический ток через введенные в трубку электроды 2 и 3, можно вызвать свечение криптона в капилляре 4 с внутренним диаметром 2÷4 мм. Излучение криптона через окошечко 5 в защитном кожухе 6 лампы выводится наружу к компаратору, с помощью которого производится сличение эталонов длины с длиной волны света. В криптоновой лампе используется газ с содержанием 86Кr не менее 99% при температуре - 210°С (тройная точка азота). Для поддержания постоянной температуры трубка с криптоном помещается в дьюаровский сосуд 7 с жидким азотом, охлажденным до тройной точки. Плотность разрядного тока в капилляре должна быть (3±1)·103 А/м2. При таком режиме работы криптоновой лампы обеспечивается достаточно высокая когерентность оранжевого излучения.

Криптоновый эталон в сравнении со штриховым повышает точность воспроизведения метра на один порядок (примерно в 10 раз).

В Государственный первичный эталон метра входят: 1) источник излучения, представляющий собой газоразрядную лампу с изотопом криптона-86; 2) интерферометр для измерения длины мер; 3) спектроиптерферометр для измерения длин световых волн.

Единица длины с помощью современного эталона метра воспроизводится с относительной погрешностью 3·10-8. И погрешность эта не может быть существенно понижена. Поэтому для дальнейшего повышения точности воспроизведения единицы длины необходимы иные источники излучения, обладающие большей степенью когерентности, чем криптоновая лампа. Такими источниками являются лазеры. В настоящее время в метрологии поставлена задача создать на основе лазера новый эталон длины, который значительно повысил бы точность воспроизведения метра.

Единица массы - килограмм

Государственным стандартом "Единицы физических величин" принято следующее определение:

"Килограмм равен массе международного прототипа килограмма".

При установлении Метрической системы мер за единицу массы *, названную килограммом, впервые была принята масса одного кубического дециметра чистой воды при 4°С. На основе такого определения был изготовлен прототип килограмма - платино-иридиевый цилиндр с высотой 39 мм и таким же диаметром. Этот прототип - "килограмм Архива", как и "метр Архива", хранится в Национальном Архиве Франции.

* Ввиду того что в период создания Метрической системы мер не было четкого разграничения понятий "масса" и "вес", международный прототип килограмма считался эталоном единицы веса. Эта неточность была исправлена на I Генеральной конференции по мерам и весам, утвердившей килограмм в качестве единицы массы.

Произведенные в XIX в. более точные измерения показали, что масса 1 дм3 воды на 0,028 г меньше массы прототипа "килограмма Архива". Было ясно, что и это повое значение массы 1 дм3 воды по мере совершенствования техники измерений может оказаться неточным. Поэтому Международной комиссией по эталонам метрической системы (1872 г.) было решено не связывать единицу массы с массой 1 дм3 воды, а принять в качестве единицы массы массу прототипа "килограмма Архива". По решению той же комиссии были изготовлены платино-иридиевые эталоны килограмма. Один из них, масса которого наиболее точно соответствовала массе прототипа "килограмма Архива", был принят за Международный прототип килограмма. Остальные эталоны были распределены между государствами. Россия получила платино-иридиевый прототип килограмма № 12. Последнее сличение эталона № 12 с эталоном Международного бюро мер и весов (1954 г.) показало, что масса прототипа № 12 равна 1,000 000 085 кг. Вместе с эталонными весами прототип № 12 составляет Государственный первичный эталон килограмма СССР. Он предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы массы - килограмма. Сличение с Государственным первичным эталоном-копий и рабочих эталонов килограмма производится с относительной погрешностью, не превышающей 2·10-8.

Рис. 2

Такая точность более или менее удовлетворяет требованиям современной науки и техники. Однако в дальнейшем может возникнуть потребность производить сличение эталонов с более высокой точностью. Кроме того, эталон килограмма может быть утрачен. Поэтому ведутся исследования по установлению связи единицы массы с атомными константами, в частности с массой нейтрона. Цель этих работ получить "естественный" воспроизводимый эталон единицы массы, который обеспечивал бы высокую точность.

⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ 

cartalana.orgⒸ 2008-2021 контакт: koshka@cartalana.org