Эталоны единицы длины

Как известно, в 1791 г. Национальное собрание Франции приняло длину десятимиллионной части четверти дуги парижского меридиана в качестве единицы – метра. В тот период времени во Франции применялся в качестве единицы длины туаз. Соотношение между метром и туазом оказалось равным 1 м = 0,513074 туаза.

Но уже в 1837 г. французские ученые установили, что в четверти меридиана содержится не 10 млн., а 10 млн. 856 м. Кроме того, примерно в тот же период времени стало очевидным, что форма и размеры Земли со временем, пусть незначительно, изменяются. Поэтому в 1872 г. по инициативе Петербургской академии наук была создана международная комиссия, решившая не создавать уточненных эталонов метра, а принять в качестве исходной единицы длины метр Архива Франции. Кстати, измерения 1964-1967 гг. показали, что в четверти меридиана содержится 10 001 954, 4 м, т.е. метр Архива короче меридионального метра.

В 1889 г. был изготовлен 31 эталон метра платиноиридиевого стержня X-образного поперечного сечения.

Эталон №6 оказался при 0 °С точно равным длине метра Архива и был принят в 1889 г. I Генеральной конференцией по мерам и весам в качестве международного прототипа метра. Остальные 30 эталонов были переданы различным странам. Экземпляры №11, №28 в 1889 г. были переданы России, при этом экземпляр №28 был утвержден в качестве государственного эталона (вначале факультативно).

Как следует из рассмотрения рис., эталон в виде линейки Х-образного сечения вписывается в квадрат 20 на 20 мм.

Длина линейки составляет 102 см. на каждый из ее концов нанесены три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Таким образом, расстояние между средними штрихами равно 1 м.

Погрешность платиноиридиевых штриховых метров составляет + 1,1 ^.10^-7 м. Уже в начале ХХ в. эта погрешность оказалась достаточно большой, не удовлетворяющей требованиям измерений длины.

В 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам было принято новое, уже упоминающиеся определение метра: метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего перехода между уровнями 2P₁₀ и 5d₅ атома криптона-86.

Метр в длинах световых волн воспроизводится интерференционным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа – изотопа криптона-86 (оранжевая линия). Принцип действия этого эталона заключается в следующем. В нормальном состоянии атомы не излучают свет и обладают некоторой минимальной энергией. Возбужденные атомы газов излучают линейный спектр, причем каждая линия этого спектра представляет монохроматическое излучение с определенной чистотой ν

ν = (E₂ – E₁) /h,

где, E₂  - энергия уровня, с которого совершается переход; E₁ – энергия уровня, на которой совершается переход; h – постоянная Планка.

Спектральные линии излучения атомов обычно имеют сложное строение, так называемую сверхтонкую струну. Существование сверхтонкой струны спектральной линии обусловлено наличием в естественных элементах изотопов. При этом элементы с четной атомной массой и четным номером в периодической системе элементов излучают более «тонкие» линии, что позволяет точнее определить максимум линии, а значит точнее определить длину волны излучения

λ = cT = c/ν = ch/ (E₂ – E₁),

где, c – скорость света; Т – период колебаний

Поскольку длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, то она используется для измерения единицы длины – метра.

Спектральные линии излучения атомов криптона-86 выделяются с помощью монохроматоров (по существу – светофильтров), а длина волны измеряется с помощью интерферометров.

Криптоновый эталон метра состоит из газоразрядной лампы, наполненной криптоном-86, помещенной с сосуд Дьюара с жидким азотом. При подаче электрического напряжения +1500В в лампе образуется свечение возбужденных атомов криптона-86. Капилляр, в котором происходит свечение (с внутренним диаметром около 3 мм), имеет оптический выход на автоматический интерференционный фотоэлектрический компаратор. С помощью интерференционного компаратора определяется расстояние между штрихами, что позволяет найти число длин волн, укладывающихся между средними штрихами линийки. Фактически определяется на все количество длин волн, «помещающихся» в метре, а оценивается разница между измеряемой длиной (например платиноиридиевого прототипа метра) и эталонной длиной, воспроизводимой газоразрядной лампой. Измерение длины волны и энергетических характеристик свечения проводится с помощью спектроинтерферометров.

Погрешность воспроизведения метра, оцениваемая средним квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью платиноиридиевого прототипа метра и составила 5 ^.  10^-9. Но такая погрешность в век ракетно-космической технике для многих потребителей оказывается слишком большой, и учетные искали пути создания эталона длины на других принципах.