El Prototipo Internacional del Kilogramo (denominado por los metrólogos IPK o Le Grand K ; a veces llamado ur-kilogramo , [1] [2] o urkilogramo , [3] particularmente por autores de lengua alemana que escriben en inglés [3] [4] :30 [5] : 64 ) es un objeto cuya masa se utilizó para definir el kilogramo desde 1889, cuando reemplazó al Kilogramme des Archives , [6] hasta 2019, cuando fue reemplazado por una nueva definición del kilogramo basada completamente en constantes físicas . [7] Durante ese tiempo, el IPK y sus duplicados se utilizaron para calibrar todos los demás estándares de masa de kilogramos en la Tierra.
El IPK es un objeto del tamaño aproximado de una pelota de golf hecho de una aleación de platino-iridio conocida como "Pt-10Ir", que es 90% platino y 10% iridio (en masa) y se mecaniza en un cilindro circular recto con una altura igual a su diámetro de aproximadamente 39 milímetros para reducir su área de superficie. [8] La adición de 10% de iridio mejoró el Kilogramme des Archives completamente de platino al aumentar en gran medida la dureza mientras conservaba las muchas virtudes del platino: resistencia extrema a la oxidación , densidad extremadamente alta (casi el doble de densa que el plomo y más de 21 veces más densa que el agua ), conductividades eléctricas y térmicas satisfactorias y baja susceptibilidad magnética .
En 2018, el IPK respaldó las definiciones de cuatro de las siete unidades básicas del SI : el kilogramo en sí, más el mol , el amperio y la candela (cuyas definiciones en ese momento hacían referencia al gramo , newton y vatio respectivamente) [9] [10] [11] así como las definiciones de cada unidad derivada del SI con nombre, excepto el hercio , el becquerel , el grado Celsius , el gray , el sievert , el faradio , el ohmio , el siemens , el henrio , el radián y el estereorradián .
El IPK y sus seis copias hermanas se almacenan en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (conocida por sus siglas en francés BIPM) en una caja fuerte con control ambiental en la bóveda inferior ubicada en el sótano del Pavillon de Breteuil del BIPM en Saint-Cloud [Nota 1] en las afueras de París (ver Imágenes externas , a continuación, para fotografías). Se requieren tres llaves controladas independientemente para abrir la bóveda. Se pusieron a disposición de otras naciones copias oficiales del IPK para que sirvieran como sus estándares nacionales. Estas se compararon con el IPK aproximadamente cada 40 años, lo que proporcionó trazabilidad de las mediciones locales hasta el IPK. [12]
La Convención del Metro se firmó el 20 de mayo de 1875 y formalizó aún más el sistema métrico (un predecesor del SI ), lo que rápidamente llevó a la producción del IPK. El IPK es uno de los tres cilindros fabricados en Londres en 1879 por Johnson Matthey , que continuó fabricando casi todos los prototipos nacionales según fuera necesario hasta que entró en vigor la nueva definición del kilogramo en 2019. [13] [14] En 1883, se descubrió que la masa del IPK era indistinguible de la del Kilogramme des Archives fabricado ochenta y cuatro años antes, y fue ratificado formalmente como kilogramo por la 1.ª CGPM en 1889. [8]
El IPK y sus diversas copias reciben las siguientes designaciones en la literatura:
Antes de 2019, por definición, el error en el valor medido de la masa del IPK era exactamente cero; la masa del IPK era el kilogramo. Sin embargo, cualquier cambio en la masa del IPK a lo largo del tiempo se podía deducir comparando su masa con la de sus copias oficiales almacenadas en todo el mundo, un proceso que rara vez se lleva a cabo llamado "verificación periódica". Las únicas tres verificaciones ocurrieron en 1889, 1948 y 1989. Por ejemplo, Estados Unidos posee cinco estándares de kilogramo de platino al 90 % y iridio al 10 % (Pt‑10Ir), dos de los cuales, K4 y K20, son del lote original de 40 réplicas distribuidas en 1884. [Nota 4] El prototipo K20 fue designado como el principal estándar nacional de masa para Estados Unidos. Ambos, así como los de otras naciones, se devuelven periódicamente al BIPM para su verificación. Se tiene mucho cuidado al transportar prototipos. En 1984, los prototipos K4 y K20 fueron transportados a mano en la sección de pasajeros de aviones comerciales separados.
Cabe señalar que ninguna de las réplicas tiene una masa exactamente igual a la del IPK; sus masas están calibradas y documentadas como valores de compensación. Por ejemplo, el K20, el patrón primario de los EE. UU., originalmente tenía una masa oficial de 1 kg − 39 μg (microgramos) en 1889; es decir, el K20 era 39 μg menor que el IPK. Una verificación realizada en 1948 mostró una masa de 1 kg − 19 μg . La última verificación realizada en 1989 muestra una masa exactamente idéntica a su valor original de 1889. A diferencia de variaciones transitorias como esta, el patrón de control de los EE. UU., K4, ha disminuido persistentemente en masa en relación con el IPK, y por una razón identificable: los patrones de control se utilizan con mucha más frecuencia que los patrones primarios y son propensos a rayarse y a sufrir otros tipos de desgaste. El K4 se entregó originalmente con una masa oficial de 1 kg − 75 μg en 1889, pero a partir de 1989 se calibró oficialmente en 1 kg − 106 μg y diez años después fue de 1 kg − 116 μg. Durante un período de 110 años, el K4 perdió41 μg en relación con el IPK. [26]
Más allá del simple desgaste que pueden experimentar los patrones de verificación, la masa de incluso los prototipos nacionales cuidadosamente almacenados puede variar con respecto al IPK por diversas razones, algunas conocidas y otras desconocidas. Dado que el IPK y sus réplicas se almacenan en el aire (aunque bajo dos o más campanas de cristal anidadas ), ganan masa mediante la adsorción de la contaminación atmosférica en sus superficies. En consecuencia, se limpian en un proceso que el BIPM desarrolló entre 1939 y 1946 conocido como "el método de limpieza BIPM" [27] que consiste en frotar firmemente con una gamuza empapada en partes iguales de éter y etanol , seguido de una limpieza con vapor con agua bidestilada y dejar que los prototipos se asienten durante 7 a 10 días antes de la verificación. Antes del informe publicado por el BIPM en 1994 que detallaba el cambio relativo en la masa de los prototipos, diferentes organismos de normalización utilizaban diferentes técnicas para limpiar sus prototipos. La práctica del NIST hasta entonces consistía en remojar y enjuagar sus dos prototipos primero en benceno , luego en etanol y luego limpiarlos con un chorro de vapor de agua bidestilada. La limpieza de los prototipos elimina entre 5 y 60 μg de contaminación, dependiendo en gran medida del tiempo transcurrido desde la última limpieza. Además, una segunda limpieza puede eliminar hasta 10 μg más. Después de la limpieza, incluso cuando se almacenan bajo sus campanas de cristal, el IPK y sus réplicas comienzan inmediatamente a ganar masa nuevamente. El BIPM incluso desarrolló un modelo de esta ganancia y concluyó que promedió 1,11 μg por mes durante los primeros 3 meses después de la limpieza y luego disminuyó a un promedio de aproximadamente 1 μg por año a partir de entonces. Dado que los estándares de control como el K4 no se limpian para calibraciones de rutina de otros estándares de masa (una precaución para minimizar el potencial de desgaste y daño por manipulación), el modelo del BIPM de ganancia de masa dependiente del tiempo se ha utilizado como un factor de corrección "después de la limpieza".
Como las primeras cuarenta copias oficiales están hechas de la misma aleación que el IPK y se almacenan en condiciones similares, la verificación periódica con varias réplicas (especialmente los patrones primarios nacionales, que rara vez se utilizan) puede demostrar de manera convincente la estabilidad del IPK. Lo que ha quedado claro después de la tercera verificación periódica realizada entre 1988 y 1992 es que las masas de todo el conjunto mundial de prototipos se han ido distanciando lenta pero inexorablemente entre sí. También está claro que el IPK perdió quizás50 μg de masa durante el último siglo, y posiblemente significativamente más, en comparación con sus copias oficiales. [17] [28] La razón de esta deriva ha eludido a los físicos que han dedicado sus carreras a la unidad de masa del SI. No se ha propuesto ningún mecanismo plausible para explicar ni una disminución constante de la masa del IPK ni un aumento de la de sus réplicas dispersas por todo el mundo. [Nota 5] [29] [30] [31] Además, no hay medios técnicos disponibles para determinar si todo el conjunto mundial de prototipos sufre o no tendencias aún mayores al alza o a la baja a largo plazo porque su masa "en relación con un invariante de la naturaleza es desconocida a un nivel inferior a 1000 μg durante un período de 100 o incluso 50 años". [28] Dada la falta de datos que identifiquen cuál de los prototipos de kilogramos del mundo ha sido más estable en términos absolutos, es igualmente válido afirmar que el primer lote de réplicas, como grupo, ha ganado un promedio de alrededor de 25 μg en cien años en comparación con el IPK. [Nota 6]
Lo que se sabe específicamente sobre el IPK es que presenta una inestabilidad a corto plazo de aproximadamente30 μg durante un período de aproximadamente un mes en su masa después de la limpieza. [32] La razón precisa de esta inestabilidad a corto plazo no se entiende, pero se cree que implica efectos de superficie: diferencias microscópicas entre las superficies pulidas de los prototipos, posiblemente agravadas por la absorción de hidrógeno debido a la catálisis de los compuestos orgánicos volátiles que se depositan lentamente sobre los prototipos, así como los solventes a base de hidrocarburos utilizados para limpiarlos. [31] [33]
Se han podido descartar muchas explicaciones de las divergencias observadas en las masas de los prototipos del mundo propuestas por los científicos y el público en general. Las preguntas frecuentes del BIPM explican, por ejemplo, que la divergencia depende de la cantidad de tiempo transcurrido entre las mediciones y no del número de veces que se haya limpiado el prototipo o sus copias o de posibles cambios en la gravedad o el entorno. [34] Los informes publicados en 2013 por Peter Cumpson de la Universidad de Newcastle basados en la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de muestras que se almacenaron junto con varios kilogramos de prototipos sugirieron que una fuente de la divergencia entre los diversos prototipos podría rastrearse hasta el mercurio que había sido absorbido por los prototipos al estar cerca de instrumentos basados en mercurio. El IPK ha estado almacenado a centímetros de un termómetro de mercurio desde al menos finales de la década de 1980. [35] En este trabajo de la Universidad de Newcastle se descubrió que seis pesas de platino fabricadas en el siglo XIX tenían mercurio en la superficie, la más contaminada de las cuales tenía el equivalente a 250 μg de mercurio cuando se escaló al área de superficie de un prototipo de kilogramo.
La creciente divergencia en las masas de los prototipos del mundo y la inestabilidad a corto plazo en el IPK impulsaron la investigación de métodos mejorados para obtener un acabado superficial suave utilizando torneado de diamante en réplicas de nueva fabricación y fue una de las razones para la redefinición del kilogramo. [36]
La estabilidad del IPK fue crucial porque el kilogramo sustentaba gran parte del SI tal como se definió y estructuró hasta 2019. La mayoría de las unidades del SI con nombres especiales son unidades derivadas , lo que significa que se definen simplemente multiplicando o dividiendo o, en un caso, compensando en relación con otras unidades más básicas. Por ejemplo, el newton se define como la fuerza necesaria para acelerar un kilogramo a un metro por segundo al cuadrado . Si la masa del IPK cambiara ligeramente, entonces el newton también cambiaría proporcionalmente. A su vez, el pascal , la unidad SI de presión , se define en términos del newton. Esta cadena de dependencia sigue a muchas otras unidades de medida del SI. Por ejemplo, el julio , la unidad SI de energía , se define como la que se gasta cuando una fuerza de un newton actúa a través de un metro . La siguiente en verse afectada es la unidad SI de potencia , el vatio , que es un julio por segundo.
Además, antes de la revisión, la unidad básica del SI de corriente eléctrica , el amperio (A), se definía como la corriente necesaria para producir una fuerza de 0,2 μN entre dos cables paralelos separados 1 m por cada metro de longitud. Sustituyendo estos parámetros en la ley de fuerza de Ampère , se obtiene:
o
haciendo que la magnitud del amperio sea proporcional a la raíz cuadrada del newton y por lo tanto de la masa del IPK.
La unidad base de cantidad de sustancia , mol , se definió antes de la revisión como el número de átomos en 12 gramos de carbono 12 y la unidad base de intensidad luminosa , candela , se definió como la de1/683 vatios por estereorradián de luz verde de 540 THz . Por lo tanto, las magnitudes del mol y la candela eran proporcionales a la masa del IPK.
Estas dependencias se extienden luego a muchas unidades químicas , fotométricas y eléctricas :
Las unidades derivadas del SI cuyos valores no eran susceptibles a cambios en la masa del IPK eran cantidades adimensionales , derivadas enteramente del segundo , el metro o el kelvin , o se definían como la relación de 2 cantidades, ambas relacionadas de la misma manera con la masa del IPK, por ejemplo:
Aquí los newtons en el numerador y el denominador se cancelan exactamente al calcular el valor del ohmio. De manera similar:
Dado que hasta 2019 la magnitud de muchas de las unidades que componen el sistema de medición del SI se definía por su masa, la calidad del IPK se protegió diligentemente para preservar la integridad del sistema SI. Sin embargo, la masa promedio del conjunto mundial de prototipos y la masa del IPK probablemente hayan divergido otros 8,3 μg desde la tercera verificación periódica.Hace 35 años. [Nota 7] Además, los laboratorios nacionales de metrología del mundo deben esperar a la cuarta verificación periódica para confirmar si persistieron las tendencias históricas.
Afortunadamente, las definiciones de las unidades del SI son bastante diferentes de sus realizaciones prácticas . Por ejemplo, el metro se define como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 ⁄ 299.792.458 de segundo. Sin embargo, la realización práctica del metro normalmente toma la forma de un láser de helio-neón, y la longitud del metro se delinea —no se define— como1 579 800 .298 728 longitudes de onda de la luz de este láser. Ahora supongamos que se descubriera que la medida oficial del segundo ha variado unas pocas partes por mil millones (en realidad es extremadamente estable con una reproducibilidad de unas pocas partes en 10 15 ). [37] No habría ningún efecto automático sobre el metro porque el segundo —y por lo tanto la longitud del metro— se abstrae a través del láser que comprende la realización práctica del metro. Los científicos que realizan calibraciones del metro simplemente continuarían midiendo la misma cantidad de longitudes de onda del láser hasta que se llegara a un acuerdo para hacer lo contrario. Lo mismo es cierto con respecto a la dependencia del mundo real con respecto al kilogramo: si se descubriera que la masa del IPK ha cambiado ligeramente, no habría ningún efecto automático sobre las otras unidades de medida porque sus realizaciones prácticas proporcionan una capa aislante de abstracción. Sin embargo, cualquier discrepancia tendría que conciliarse eventualmente, porque la virtud del sistema SI es su armonía matemática y lógica precisa entre sus unidades. Si se hubiera demostrado definitivamente que el valor del IPK ha cambiado, una solución habría sido simplemente redefinir el kilogramo como igual a la masa del IPK más un valor de compensación, de manera similar a lo que se había hecho anteriormente con sus réplicas; por ejemplo, "el kilogramo es igual a la masa del IPK + 42 partes por mil millones " (equivalente a 42 μg).
Sin embargo, la solución a largo plazo para este problema fue liberar al sistema SI de su dependencia del IPK mediante el desarrollo de una realización práctica del kilogramo que pudiera reproducirse en diferentes laboratorios siguiendo una especificación escrita. Las unidades de medida en esa realización práctica tendrían sus magnitudes definidas con precisión y expresadas únicamente en términos de constantes físicas . Si bien gran parte del sistema SI todavía se basa en el kilogramo, ahora este se basa a su vez en constantes invariables y universales de la naturaleza.
Hay 40 copias diferentes del prototipo (n.º 12 y n.º 26) de todos los tiempos en Rusia. Эталон №12 принят в СССР в качестве государственного первичного эталона единицы массы, а №26 — в качестве эталона-копии.