Эталон единицы длины

В конце ХVIII в., в период введения метрической системы мер, был принят первый эталон единиц длины - метр. За метр приняли одну десятимиллионную часть четверти Парижского меридиана. В 1799 г. на основе геодезических измерений (триангуляций) части дуги меридиана от Дюнкерка до Барселоны экспедициями ученых во главе с Мешеном и Деламбером был изготовлен эталон метра в виде платиновой концевой меры, переданной на хранение в национальный Архив Франции и получившей название “метра Архива”. Метр Архива представляет собой платиновую линейку шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами, равным 1 м.

Повторные измерения длины дуги меридиана, выполненные в XIX в., показали, что длина принятого метра несколько короче подлинного “естественного” метра. Так как в дальнейшем, при более точных измерениях, вероятно, можно было получить различные значения основной единицы длины, Международная комиссия по прототипам метрической системы, созданная по инициативе Петербургской академии наук, в 1872 г. решила отказаться от естественного эталона метра и принять в качестве исходной меры длину метра Архива. В соответствии с решением этой комиссии был изготовлен 31 эталон метра в виде штриховой меры из сплава платины и иридия. Из них метр номер 6 оказался при 0 ^оС равным метру Архива и был принят в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были распределены между различными государствами.

Эталон метра представляет собой платино - иридиевый брусок длиной 102 см, имеющий в поперечном сечении форму X, как бы вписанную в воображаемый квадрат, сторона которого равна 20 мм. Платино - иридиевый эталон метра номер 28, полученный Россией в 1889 г., был в последующем утвержден в качестве Государственного эталона. Единица длины - метр определяется расстоянием между осями двух средних штрихов, нанесенных на бруске при 0 ^оС.

Хотя эталон был изготовлен из сплава иридия и платины, отличающегося значительной твердостью и большим сопротивлением к окислению, 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 сличениях национальных эталонов с международным прототипом нельзя обнаружить малых изменений их длины, т.к. все эталоны изготовлены из одного и того же сплава и, следовательно, претерпевают одни и те же изменения. Кроме того, штрихи, нанесенные на бруски имеют значительную ширину, что ограничивает погрешность сличения на уровне 10^{-7 м.}

Поэтому необходимо было ввести новый естественный эталон метра. В 1895 г. II Генеральная конференция по мерам и весам признала, что естественным свидетелем размера метра может является длина волны монохроматического света. После изучения спектральных линий ряда элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. ХI Генеральная конференция по мерам и весам (1960 г.) приняла выражение размера метра в следующем виде: “Метр - длина, равная 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу 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 излучения (поглощения) пропорциональна разности энергий состояний

f=(E₂-E₁)/h,

где E₁ и E₂ - уровни энергий; h - постоянная Планка.

Если E₂ > E₁ происходит излучение электромагнитных волн, если E₂ < E₁ - поглощение. При распространении излучения в вакууме со скоростью с, длина волны монохроматического света равна

l=ch/(E₂-E₁).

При исследовании спектров различных веществ было обнаружено, что элементы с четным номером в таблице Менделеева и четной атомной массой (т.н. четно-четные элементы) имеют линии спектра с простым контуром. Наиболее тонкие и симметричные линии излучения соответствуют переходу между вышеупомянутыми уровнями атома криптона-86. Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом на специальной установке с помощью
лампы, заполненной изотопом криптона-86. Схема лампы с криптоном приведена на рис. 1.3.

1 - светящийся капилляр; 2 - газоразрядная трубка с криптоном; 3 - накаленный катод; 4 - манометр; 5 - сосуд Дьюара; 6 - герметически закрывающаяся камера; 7 - термопара; 8 - окуляр; 9 - мотор с лопаткой для перемешивания жидкого азота

Рисунок 1.3 - Схема лампы с криптоном-86

С целью получения необходимых условий для излучения линии криптон заключают в капилляр и охлаждают жидким азотом до 50-60 К. Возбуждение атомов криптона производят путем пропускания через него электрического тока (напряжения порядка 1500 В). Осуществление этого метода дало возможность снизить погрешность воспроизведения метра, примерно до 4×10 ^-9 м.

В 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла следующее определение метра: "Метр - единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды". При таком определении метра длина не может считаться основной ФВ, так как выражается через скорость и время. Поэтому за этим решением XVII Генеральной конференции должно последовать изменение структуры Международной системы единиц.

Принятое новое определение позволило воспроизводить единицу длины с помощью единого эталона времени-частоты-длины. Минимальная погрешность, которая может быть достигнута в этом случае, равна погрешности современного эталона частоты-времени. В качестве источника колебаний в этом эталоне применяется высокостабильный лазер с известной относительно эталона времени частотой f. Он служит эталоном элементарной длины, равной l=c/f. С помощью такого лазера интерференционным путем удобно измерять расстояние порядка метра. Делается это путем подсчета числа полуволн, укладывающихся на измеряемой длине. Поэтому в состав эталона времени-частоты-длины введен высокоточный вакуумный модуляционный интерферометр Фабри-Перо, расположенный во ВНИИМ им. Менделеева (г. С. - Петербург). Кроме того, для измерения частоты лазерного излучения, принадлежащей к оптическому диапазону, с помощью эталона времени и частоты, работающего в радиочастотном диапазоне, необходимо было создание радиооптического частотного моста (РОЧМ), который решает эту задачу, используя принцип последовательного повышения частоты. Таким образом, на базе двух институтов был создан единый технический комплекс – эталон частоты-длины-времени. Территориальная разобщенность этих институтов потребовала введения в состав эталона перевозного He-Ne/CH₄ лазера, длина волны которого устанавливается по выходному лазеру РОЧМ и служит для измерения длины волны He-Ne/I2-лазера, входящего в состав интерферометра.

Единица длины - метр воспроизводится со среднеквадратическим отклонением 2,5·10^{-11 м, а неисключенный остаток систематической погрешности составляет 1,2}×10^-11 , что на два порядка меньше погрешности результата воспроизведения метра по стандартному определению с помощью криптоновой лампы.