EL NUEVO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SI Medelln

EL NUEVO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SI Medellín – Antioquia 2018 -04 -18

Contenido § Acerca del INM § Breve historia del Sistema Internacional de Unidades – SI § Motivación para la redefinición del SI § El nuevo SI § El experimento de Avogadro (XRCD Method)

Acerca del INM

Metrología • Ciencia y aplicación de mediciones correctas • Trazabilidad de las mediciones al SI a través de patrones nacionales • Determinación de resultados con estimación de la incertidumbre

Creación del INM 1992 1976 1966 Consejo de Metrología (COMET) Centro de Control de Calidad y Metrología División de Metrología SIC Decreto 2153 Junio 16 2011 PND 20102014 Ley 1450 Noviembre 3 2011 INM Decreto 4175

Más Información Creación del INM Mediante el Decreto 4175 de 2011 fue creado el Instituto Nacional de Metrología con lo cual se dio un paso fundamental para el fortalecimiento del Subsistema Nacional de Calidad de Colombia y de la competitividad del sector productivo del país. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGÍA (INM) Decreto 4175 de 2011 METROLOGÍA CIENTÍFICA INDUSTRIAL

Av. Cra 50 # 26 -55 Bogotá D. C. , Colombia

INM en el Subsistema Nacional de la Calidad

ESTABLECER, COORDINAR Y ARTICULAR LA RED COLOMBIANA DE METROLOGÍA Conjunto de entidades, públicas y privadas, que tienen en común la metrología científica e industrial. Tiene como objetivo construir soluciones a problemas y temáticas comunes mediante procesos de integración y cooperación www. rcm. gov. co contacto@inm. gov. co coordinacion@rcm. go v. co

Servicios Asistencia técnica: acompañamiento industria y laboratorios Capacitaciones: expertos en temas de metrología compartiendo información en el INM. Ensayos de aptitud: ejercicios que son soporte para acreditación de laboratorios Producción de aseguramiento Materiales de la trazabilidad de Referencia Calibraciones www. inm. gov. co contacto@inm. gov. co

Organigrama

Breve historia del Sistema Internacional de Unidades

La consciencia humana pudo haber comenzado por ser testigos del paso del tiempo ©Alex Yuric

Temperatura Distancia ©El Tiempo

©Wikipedia ©Jon Pratt ©www. tierrafertil. com ©Stenger

Rey Luis XIV (1691) La unidad de longitud debe estar basada en una unidad de medida natural e invariable Fuente: www. wikipedia. org

Sistema Métrico Decimal Definición del metro (1790) 1 m = 10 millonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre Fuente: www. wikipedia. org

Primera definición del kg 1795 1 kg = masa de un cubo de 1 dm 3 de agua destilada a t = 4 ˚C Fuente: http: //www. profesorenlinea. cl/ Masa como magnitud derivada de la longitud!!

Junio de 1799: Materialización de dos prototipos • 1 barra representando el Metro de los Archivos • 1 cilindro representando el kilogramo de los archivos ©Museo de Artes y Oficios - París

©Jon Pratt

1832: Fuerte promoción del sistema métrico decimal por Gauss. Uso del segundo astronómico para la definición de la unidad de tiempo ©NASA 1 s = 1/86 400 del día solar medio

20 de mayo 1875 Convención del metro (17 países firmantes). Creación del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) y la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) Fuente: www. wikipedia. org / www. bipm. org

1 st Comité General de Pesas y Medidas - CGPM: 1889 (CR, 34 -38) El metro, el kilogramo y el segundo conforman las unidades base del sistema MKS IPK Pt-Ir Fuente: www. bipm. org

1799 Sistema Métrico 1889 Unidades base m, kg, s 1875 Convención del metro 1954 A, K, cd SI 1971 mol 1983 m = c vacío 1967 s = Frecuencia hiperfina 133 Cs

El actual SI longitud Velocidad de la luz c Intensidad luminosa masa artefacto Radiación monocromática tiempo mol Parámetro de un material Transición hiperfina 133 Cs hfs temperatura Parámetro de un material (punto triple del agua) Fuente: Stenger, 2014 Corriente eléctrica Experimento ideal

Motivación para la redefinición del SI

Diferentes formas de definir una unidad de medida • Artefacto (kilogramo) • Propiedades de un material (kelvin, mol) • Experimentos idealizados (Amperio) • Constantes de la naturaleza (metro, segundo)

Desventajas • Los artefactos pueden cambiar, están expuestos a daños o pérdidas • Las definiciones no son independientes entre si (p. e, la unidad del Amperio involucra el kilogramo) • Valores de las constantes de Josephson y von Klitzing no son iguales a sus valores de acuerdo al SI

Recomendación 1 – Comité General de Pesas y Medidas (CGPM): 2005 …take preparative steps towards new definiti the kilogram, the ampere, the kelvin and the m terms of fundamental constants.

¿Qué tan nueva es esta idea? Maxwell J. C, 1870. Report of the 1870 BA Meeting, Notices and Abstracts of Misc. Comm. , Mathematics and Physics, pp. 1 -9

Planck M. , Ann. D. Phys. 4, 553 -563 (1901) Planck propone usar: c, h, G, k. B

El nuevo SI

m = 10 kg Cantidad Q = {Q} [Q] Unidad Número (133 Cs)hfs = 9 192 631 770 s-1 Se define una unidad a través de un valor fijo de una constante

Se define el SI especificando las siete constantes de referencia, sin introducir unidades base y derivadas El Sistema Internacional de Unidades (SI), será aquel sistema de unidades en el cual: • • El estado base de la frecuencia de transición hiperfina del átomo de 133 Cs (133 Cs)hfs es exactamente 9 192 631 770 Hz La velocidad de la luz en el vacío c es exactamente 2 999 792 458 m/s La constante de Planck h es exactamente 6. 626 06 X. . . x 10 -34 J∙s La carga elemental del electrón e es exactamente 1. 602 17 X. . . x 10 -19 C La constante de Boltzmann k es exactamente 1. 380 6 X. . . x 10 -23 J/K La constante de Avogadro NA es exactamente 6. 022 14 X. . . x 1023 1/mol La eficacia luminosa Kcd de una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz es exactamente 683 lm/W

Actual SI Nuevo SI Cantidad base Unidad base Cantidad base Constante definida Tiempo segundo (s) Frecuencia (133 Cs)hfs Longitud metro (m) Velocidad c Masa kilogramo (kg) Acción h Corriente Eléctrica Amperio (A) Carga eléctrica e Temperatura termodinámica Kelvin (K) Capacidad calorífica k Cantidad de sustancia Mol (mol) Cantidad de sustancia NA Intensidad luminosa Candela (cd) Intensidad luminosa Kcd

El segundo no cambia The second, symbol s, is the SI unit of time; its magnitude is set by fixing the numerical value of the unperturbed ground state hyperfine splitting frequency of the caesium 133 atom to be exactly 9 192 631 770 when it is expressed in the SI unit s 1, which for periodic phenomena is equal to Hz. De esta forma, se tiene la relación exacta ν(133 Cs)hfs = 9 192 631 770 Hz. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para la unidad segundo en términos de la constant definida ν(133 Cs)hfs:

El metro no cambia The metre, symbol m, is the SI unit of length; its magnitude is set by fixing the numerical value of the speed of light in vacuum to be exactly 299 792 458 when it is expressed in the SI unit for speed m s 1. De esta forma, se tiene la relación exacta c = 299 792 458 m/s. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para la unidad metro en términos de la constante c y ν(133 Cs)hfs:

El kilogramo cambia!! The kilogram, symbol kg, is the SI unit of mass; its magnitude is set by fixing the numerical value of the Planck constant to be exactly 6. 626 069 57 10− 34 when it is expressed in the SI unit for action J s = kg m 2 s− 1. De esta forma, se tiene la relación exacta h = 6. 626 069 57 10− 34 kg m 2 s− 1 = 6. 626 069 57 10− 34 J s. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para la unidad kilogramo en términos de tres constantes definidas h, ν(133 Cs)hfs and c:

El Amperio cambia!! The ampere, symbol A, is the SI unit of electric current; its magnitude is set by fixing the numerical value of the elementary charge to be exactly 1. 602 176 565 10− 19 when it is expressed in the SI unit for electric charge C = A s. De esta forma, se tiene la relación exacta e = 1. 602 176 565 10− 19 C. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para el amperio en términos de las constantes definidas e and ν(133 Cs)hfs:

El Kelvin cambia!! The kelvin, symbol K, is the SI unit of thermodynamic temperature; its magnitude is set by fixing the numerical value of the Boltzmann constant to be exactly 1. 380 648 8 10− 23 when it is expressed in the SI unit for energy per thermodynamic temperature J K 1 = kg m 2 s 2 K 1. De esta forma, se tiene la relación exacta k = 1. 380 648 8 10− 23 J/K = 1. 380 648 8 10− 23 kg m 2 s 2 K 1. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para el kelvin en términos de las constantes definidas k, h and ν (133 Cs)hfs:

El mol cambia!! The mole, symbol mol, is the SI unit of amount of substance of a specified elementary entity, which may be an atom, molecule, ion, electron, any other particle or a specified group of such particles; its magnitude is set by fixing the numerical value of the Avogadro constant to be exactly 6. 022 141 29 1023 when it is expressed in the SI unit mol 1. De esta forma, se tiene la relación exacta NA = 6. 022 141 29 × 1023 mol 1. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para el mol en términos de la constante definidas NA:

La candela no cambia The candela, symbol cd, is the unit of luminous intensity in a given direction; its magnitude is set by fixing the numerical value of the luminous efficacy of monochromatic radiation of frequency 540 1012 Hz to be exactly 683 when it is expressed in the SI unit kg− 1 m− 2 s 3 cd sr = lm W− 1 = cd sr W− 1. De esta forma, se tiene la relación exacta Kcd = 683 lm/W = 683 cd sr W− 1 = 683 kg 1 m− 2 s 3 cd sr para una radiación monocromática de frecuencia ν = 540 1012 Hz. Invirtiendo esta relación se obtiene la expresión para candela en términos de la constante definidas Kcd, h and ν(133 Cs)hfs:

reference constant fixed in the definition _________ uncertainty in the current SI _______ uncertainty in the New SI ________ mass of the IPK, m(K ) (in the current SI) 0 (exact) 4. 4 × 10‒ 8 (expt) Planck constant, h (in the new SI) 4. 4 10‒ 8 (expt) 0 (exact) Fuente: Stenger, 2014

¿Qué tan fundamentales son estas constantes? • • • c: fundamental h: fundamental e: fundamental ν: no es fundamental (parámetro atómico, sensible a campos externos) k. B, NA: no son fundamentales (factores de escala) Kcd: no es fundamental (convención técnica) Por esta razón las constantes que definen el nuevo SI son llamadas “constates definidas”, no “constantes fundamentales” o “constantes de la naturaleza”

CRONOGRAMA DE LA REDEFINICIÓN ü 20 Mayo 2018: Comienzo de la promoción de la redefinición del SI ü 13 a 16 Noviembre 2018: 26 reunión del Comité General de Pesas y Medidas (CGPM). ü 16 – 17 Mayo 2019: 17 reunión del Comité Consultivo de Masa (CCM) ü 20 Mayo 2019: Día de la redefinición del SI

El experimento de Avogadro (XRCD Method)

Experimentos para la redefinición del kilogramo Balance de Kibble NPL - Reino Unido NRC - Canadá NIST - Estados Unidos METAS – Suiza BIPM Fuente: http: //nist-takingmeasure. blogs. govdelivery. com/world-metrology-day-kilogram-in-thebalance/#pretty. Photo/2/ Proyecto de Avogadro (XRCD method) PTB – Alemania NMIJ – Japón INRIM – Italia BIPM Fuente: Schwartz (2016)

Relación entre la masa atómica (o molecular) y el kilogramo # de átomos de 28 Si Fuente: Schwartz (2016) Masa de un átomo individual de Si

Masa de la esfera (incluyendo efectos superficiales) Defectos de la red Masa capas superficiales Impurezas Número de átomos Masa relativa isótopos de Si/ Masa electrónica relativa Masa del electrón

Etapas para la fabricación de esferas de Si ü ü ü Producción de un monocristal de 28 Si Cortado y pulido Determinación de la redondez y volumen Caracterización superficial Determinación de masa molar Manipulación y diseminación del kg

Fuente: Workshop Si-kg (2016)

Proyecto Si-trust Tailandia Sudáfrica Rep. de China España México Uruguay Colombia

Proyecto Si-trust

Gracias

Jhon Escobar Soto Head of Mass Laboratory INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGÍA – INM Av. Cra. 50 No. 26 – 55 Interior 2 CAN Bogotá, Colombia Teléfono (+57 1) 2542222 Ext 1615 E-mail: jjescobar@inm. gov. co