Laboratoare fizică

NOTIUNI INTRODUCTIVE

Sistemul Internațional de Mărimi și Unități

Obiectul Fizicii îl constituie studiul sistemelor fizice. Proprietățile fizice ale sistemelor sunt reprezentate prin mărimi fizice. Nu toate proprietățile fizice sunt neapărat și mărimi fizice. Aceasta pentru că, pentru a intra în categoria mărimilor fizice, proprietățile fizice considerate trebuie să fie măsurabile. Operația de măsurare, operație 2 fundamentală în fizică, implică în primul rând definirea unei unități de măsură pentru o mărime fizică, iar pentru fiecare unitate de măsura avem nevoie de un etalon, cu care să comparăm cantitatea de mărime fizică pe care dorim să o măsurăm. Studiul legilor care guvernează evoluția sistemelor fizice relevă faptul că între marimile fizice corespunzătoare există relații de dependență, exprimate prin intermediul formulelor fizice. Având în vedere că confecționarea și păstrarea unui etalon sunt operații costisitoare, faptul că între mărimile fizice exista relații de dependență ne sugerează o divizare a întregului ansamblu de mărimi fizice în doua categorii și anume, mărimi fizice fundamentale și mărimi fizice derivate, astfel că este necesară construirea unui număr mai mic de etaloane, respectiv numai etaloane pentru mărimile fizice fundamentale, celelalte etaloanele pentru mărimile derivate putând fi definite cu ajutorul etaloanelor mărimilor fizice fundamentale. Această împărțire în doua categorii permite deci o simplificare a proceselor de măsurare, implicate în studiul și verificarea legităților care guvernează evoluția sistemelor fizice.

Alegerea mărimilor fizice fundamentale din multitudinea de mărimi fizice este o chestiune de conveniență. O dată stabilită clasa mărimilor fizice fundamentale și a unităților de măsură corespunzătoare (numite de asemenea unități de măsură fundamentale) și a restului de mărimi fizice ca fiind mărimi fizice derivate pentru care unitătile de măsură derivate să fie exprimate cu ajutorul unităților de măsură fundamentale , spunem că am definit un Sistem de Mărimi și Unități.

Sistemul Internațional de Mărimi și Unități, acronim SI, a fost stabilit de către cea de-a 11-a Conferință Generală de Măsuri și Greutăți în anul 1960 și a fost adoptat de țara noastră din anul 1961. SI se bazează pe alegerea a șapte mărimi fizice fundamentale și deci a șapte unități de măsură fundamentale necesare pentru măsurarea mărimilor fundamenale. Mărimile fundamentale din SI sunt: lungimea, timpul, masa, intensitatea curentului electric, temperatura, intensitatea luminoasă și cantitatea de substanță. Unitățile de măsură și etaloanele pentru aceste mărimi sunt:

a.Unitatea de lungime

Unitatea de lungime, metrul, este definită cu ajutorul lungimii de undă a unei anumite radiații electomagnetice, luminoase, monocromatice, emisă de un anumit izotop stabil al unui element chimic într-o stare foarte pură. Prin interferometrie se pot obține 3 franje de interferență care permit stabilirea unei relații matematice între lungimea de undă și diferența de drum între două radiații coerente. Cu cât radiația folosită este mai monocromatică, cu atât se pot realiza diferențe de drum mai mari. Se poate ajunge astfel la diferențe de drum de un metru, ceea ce permite compararea acestei lungimi cu radiația etalon: linia portocalie din spectrul izotopului stabil al kriptonului 86. Metrul este lungimea egală cu 1 650 763,73 lungimi de undă, în vid, ale radiației care corespunde tranziției atomului lui kripton 86 între nivelele sale 2P_10si 5 D_5.

b. Unitatea de timp

Unitatea de timp, secunda, a fost definită inițial în funcție de perioada unui fenomen periodic natural: rotația aparentă a Soarelui în jurul Pământului. In prezent noua definiție a secundei este bazată pe frecvența unei radiații corespunzătoare tranziției între două nivele energetice ale unui atom. Utilizându-se o radiație de frecvență relativ mică și anume din domeniul radiațiilor hertziene, se pot obține cu ajutorul fenomenului bătăilor în montaje electronice semnale distanțate în timp cu durate de fracțiuni de secundă sau chiar de o secundă. Pentru aceasta se folosește radiația emisă la tranziția între cele două nivele hiperfine ale stării fundamentale ale atomului de cesiu 133. Cesiu 133 este singurul izotop stabil al cesiului iar radiația folosită are o frecvență de aproximativ Hz 9 9.19210 , ceea ce corespunde unei lungimi de undă în vid de aproximativ 3 cm.

Secunda este durata de timp a 9 192 631 770 perioade ale radiației corespunzătoare tranzacției între cele două nivele hiperfine ale stării fundamentale ale atomului de cesiu 133.

c. Unitatea de masă

Unitatea de masă, kilogramul, este masa unui corp etalon, adoptat convențional, denumit ,,kilogram internațional”. Kilogramul este masa ,,kilogramului internațional” prototip de platină iridiată, adoptat în 1889 de Conferința Generală de Măsuri și Greutăți păstrat la Biroul Internațional de Măsuri și Greutăți de la Sèvres-Franța.

Nu s-a pus încă problema găsirii unui etalon natural pentru unitatea de masă, cum ar fi, de exemplu, masa unei anumite molecule, deoarece compararea ,,kilogramului internațional” cu masa unei molecule nu se poate face cu gradul de precizie cerut de metrologie.

Există totuși o problemă legată de stabilitatea etalonului ales. Astfel, în ultimii 60 de ani , diferite comparații ale etalonului de un kilogram cu copii identice ale acestuia, sugerează că masa acestuia se modifică. De aceea în momentul de față, oamenii de știință s-au orientat spre a construi un etalon care este definit în funcție de două constante fundamentale, constanta lui Planck J.S și sarcina electrică a electronului . Obținerea etalonului se bazează pe compararea cu ajutorul unei balanțe speciale (balanță watt) a greutății unui eșantion în care se generează efect Hall cuantic, cu o forță electromagnetică în care este implicat un curent limitat de rezistența electrică cuantică Hall. Această rezistență Hall cuantică este dată de raportul și este independentă de materialul folosit ca eșantion