Il 20 maggio 2019 alla Conferenza Generale dei Pesi e Misure le definizioni delle unità di misura sono cambiate. Un cambiamento storico che indirettamente coinvolge tutta la nostra società, il chilogrammo non sarà più legato ad un campione fisico, ma ad una costante della natura. Scopriamo insieme il motivo e le conseguenze di questo cambiamento.
IN BREVE
Indice
Quasi tutte le misure di peso che abbiamo fatto possono essere ricondotte a un singolo oggetto: un pezzo di metallo fatto dal 90% di platino e 10% di iridio, custodito sotto chiave in una volta presso il Pavillon de Breteuil a Sèvres in Francia. Il suo nome è International Prototype Kilogram, IPK o “Le Grand Kilo” per gli amici, e nel 1889 è stato definito come il campione standard di 1 kg. Ciò vuol dire che se una persona pesa 70 kg è come dire che la sua massa è pari a 70 volte quella dell’International Prototype Kilogram.
Le copie dell’IPK sono distribuite in tutto il mondo, con paesi che creano i propri pesi di riferimento il più vicino possibile all’originale. Questi, a loro volta, sono usati per calibrare scale e pesi in ogni parte della società, dai laboratori e fabbriche, ai supermercati, ai panifici. In Italia, ad esempio, il campione del chilogrammo è conservato a Roma presso il ministero dello Sviluppo Economico. Anche se negli Stati Uniti utilizzano libbre e once invece di chilogrammi, ma anche questi sono calibrati usando il prototipo internazionale del chilogrammo. Immaginate cosa accadrebbe se questo riferimento venisse cambiato? È appena accaduto! Sì, il riferimento del chilogrammo non è più l’Itnternational Prototype Kilogram, ma non preoccupatevi, si tratta di un miglioramento!
LA CONFERENZA GENERALE DEI PESI E MISURE
Il 16 novembre 2018 i membri dell’International Bureau of Weights and Measures, che regola il sistema metrico, si sono riuniti a Versailles per la 26ª Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure e hanno votato per cambiare questo valore di riferimento. Così ora il chilogrammo è legato direttamente alla legge di Planck. Non si tratta solo del chilogrammo però, ma dal 20 maggio 2019 in tutto il mondo sono entrate in vigore nuove definizioni di quattro unità di misura fondamentali: il chilogrammo, l’ampere, il kelvin e la mole.
La domanda che molti si sono posti è: perché cambiare il chilogrammo?
I problemi del campione fisico riguardano precisione, stabilità e riproducibilità. Infatti Le Grand Kilo con il passare del tempo va incontro a processi di degradazione, ciò causa una diminuzione della sua massa. Inoltre effettuare misure precise della massa del campione non è affatto semplice e riprodurre delle copie di riferimento causa un ulteriore propagazione dell’errore. Per questo motivo, durante la conferenza dei pesi e misure, il chilogrammo e altre unità di misura sono state legate a delle costanti universali.
E cosa accadrà adesso all’International Prototype Kilogram? Al momento non ci sono piani per modificare le condizioni di archiviazione per l’IPK, rimarrà al BIPM (Ufficio internazionale dei pesi e delle misure) e non sarà esposto al pubblico in generale. L’IPK manterrà sicuramente interesse metrologico e quindi verrà monitorato molto sporadicamente in futuro per evitare il più possibile qualsiasi danno superficiale.
LE UNITÀ DI MISURA DEL SISTEMA INTERNAZIONALE
Il sistema internazionale di unità di misura (SI) è il sistema più diffuso di unità di misura, usato in tutte le discipline scientifiche e in molte nazioni, come l’Italia, è stato istituito per legge. Le unità di misura fondamentali del SI sono 7:
- intensità di corrente, ampere (A)
- intensità luminosa, candela (cd)
- lunghezza, metro (m)
- massa, chilogrammo (kg)
- quantità di sostanza, mole (mol)
- temperatura termodinamica, kelvin (K)
- intervallo di tempo, secondo (s)
Da queste unità fondamentali ne derivano molte altre, dette unità di misura derivate, come ad esempio il newton (\( kg m/s^2\)) che misura una forza e chi si indica con la lettera N (maiuscola) in onore dello scienziato Isaac Newton.
Ogni unità di misura ha un suo simbolo e può essere espressa su una scala decimale mediante l’uso di alcuni prefissi, come: deci, milli, centi, ecc. Questi prefissi indicano una scala di variazioni di ordini di grandezza con un fattore 10, ad esempio 1 millimetro corrisponde a 0.001 m. Spesso si sente parlare anche di un’altra unità di misura molto usata per masse di piccole dimensioni, il grammo. Un grammo corrisponde a 0.001 kg e insieme al centimetro e il secondo costituisce il sistema di misura noto come CGS, cioè: centimetro-grammo-secondo. Da questo si intende che ogni unità di misura che utilizziamo deriva dalle 7 fondamentali, per questo motivo è importante che tutte e 7 siano ben definite.
Le definizioni ufficiali delle 7 unità di misura fondamentali
Nelle definizioni delle costanti esplicite, una costante di natura riceve un valore specifico e la definizione dell’unità emerge come conseguenza da essa. Ad esempio, nel 1983, la velocità della luce era definita esattamente come 299792458 metri al secondo. Come abbiamo detto alla conferenza dei pesi e misure non è stato ridefinito solo il chilogrammo, ma anche l’ampere, il kelvin e la mole; a restare invariate anche dopo il 20 maggio 2019 invece sono: secondo, metro e candela. Ecco allora come si presentano ad oggi le definizioni delle unità di misura fondamentali, secondo le diciture ufficiali dell’International Bureau of Weights and Measures (Ufficio internazionale dei pesi e delle misure – BIPM):
Secondo
Il secondo è definito come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133.
Chilogrammo
Un chilogrammo è la quantità di massa per compensare una forza in una Bilancia di Watt percorsa da una data quantità di corrente; utilizzando le definizioni di volt e di ohm, tale misurazione è correlata alla Costante di Planck (\( 6,626 070 15 × 10^{–34} J s \)).
Kelvin
Un kelvin è la differenza di temperatura termodinamica che risulta a seguito di una differenza di energia termica pari a \(k_B\) J. Dove \(k_B\) è la costante di Boltzmann e vale \( 1,380649 10^{-23} J K^{-1}\).
Metro
Un metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 di secondo, assumendo che la velocità della luce nel vuoto, per definizione, è pari a c = 299 792 458 m/s.
Ampere
L’ampere è definito dal valore numerico della carica elementare fissato a \( 1,602176634 10^{-19} \) coulomb.
Mole
Una mole è la quantità di sostanza che contiene \( 6,022214076 10^{23} \) entità
Candela
La candela è legata al valore numerico fissato dell’efficacia luminosa di una radiazione monocromatica di frequenza \( 540 10^{12} \) hertz, fissato a 683 quando espresso in lumen per watt.
LA REALIZZAZIONE PRATICA DELLA DEFINIZIONE DEL CHILOGRAMMO
La definizione del chilogrammo non suggerisce però il procedimento che ha permesso di calcolare il valore esatto di riferimento o la sua incertezza. Esistono attualmente due metodi primari indipendenti in grado di realizzare la definizione del chilogrammo con incertezze relative entro poche parti in 108. Il primo di questi si basa sulla determinazione della massa sconosciuta utilizzando una bilancia elettromeccanica appositamente progettata allo scopo. Il secondo metodo confronta la massa sconosciuta con la massa di un singolo atomo di un isotopo specificato contando il numero di atomi in un cristallo, dove la massa dell’atomo è ben nota in termini di costante di Planck.
Ma mediante quali formule una massa è collegata alla costante di Planck? Nel primo metodo la formula che lega le due grandezze è:
\( m_x = h( \frac{fb^2}{5})\frac{g}{V} \)
Dove g è l’accelerazione di grvità dove f è una frequenza sperimentale, v è una velocità sperimentale e b è una quantità sperimentale senza dimensioni.
Operando nel secondo metodo invece la formula risolutiva per la massa è la seguente:
\( m_s = h N( \frac{m(^{28}Si)}{h})\)
Dove \(^{28}Si\) è l’isotopo del silicio di cui si considera la massa m, N è il numero di atomi nel cristallo macroscopico.
COSA CAMBIA CON LA CONFERENZA DEI PESI E MISURE?
Dopo questi cambiamenti apportati alle definizioni di unita di misura viene immediato chiedersi: quindi cosa è cambiato nella pratica?
Definire il chilogrammo in termini di costanti fisiche fondamentali garantisce la sua stabilità a lungo termine, e quindi la sua affidabilità, che in precedenza era in dubbio. Se prima venivano riprodotte delle copie del IPK e distribuite in tutto il mondo, ora come si farà ad avere un campione di chilogrammo? Basterà inviare il proprio standard di massa al National Metrology Institute (NMI) per la calibrazione o ad un laboratorio di taratura secondario esattamente come prima. Tuttavia il percorso utilizzato dal NMI per collegarlo al chilogrammo SI è cambiato. In effetti, il BIPM sta organizzando un confronto continuo tra le principali realizzazioni del chilogrammo e un valore di consenso del chilogrammo sarà determinato da esso. Gli istituti nazionali di metrologia che realizzano il chilogrammo sono invitati a valersi del consenso quando diffondono l’unità di massa secondo la nuova definizione, fino a quando la dispersione dei valori diventa compatibile con le incertezze di realizzazione individuale.
La definizione rivista della mole è più semplice della definizione precedente e dovrebbe aiutare a capire meglio la natura della quantità “quantità di sostanza” e della sua unità, la mole appunto.
Anche per i termometri la calibrazione funziona esattamente come prima, perché la nuova definizione di kelvin non ha influito sullo stato delle scale di temperatura ITS-90 e PLTS-2000 ampiamente utilizzate. Inoltre il fattore di conversione tra la radianza misurata e la temperatura termodinamica (la costante di Stefan-Boltzmann) è ora esatta con le definizioni attuali di kelvin e chilogrammo, portando a una migliore metrologia della temperatura man mano che la tecnologia migliora.
Ci si aspetta che le nuove definizioni di ampere e kelvin migliorino significativamente l’accuratezza con cui è possibile effettuare misurazioni di temperatura elettrica e radiometrica. L’impatto sulle misure elettriche è stato immediato: le misurazioni elettriche più precise sono state già fatte utilizzando gli effetti Josephson e Hall quantistici prima della ridefinizione, e fissando i valori numerici della costante di Planck h e della carica elettrica elementare e nelle nuove definizioni delle unità hanno portato a valori numerici esatti per le costanti Josephson e von Klitzing. Ciò elimina la precedente necessità di utilizzare unità elettriche convenzionali anziché unità SI per esprimere i risultati delle misurazioni elettriche. Possiamo riassumere che ora, con i cambiamenti adoperati, il Sistema Internazionale è più adatto alla tecnologia di questo secolo.
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