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CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA
CTNNN / RLazos – CENAM / Febrero 27, 2019 1
LAS NUEVAS DEFINICIONES DE LAS UNIDADES DE MEDIDA DEL SISTEMA INTERNACIONAL,
RAZONES Y CONSECUENCIAS
Centro Nacional de MetrologíaRuben J. Lazos Martínez
rlazos@cenam.mx
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¿Porqué son sólo siete las unidades en el logo?
Se refiere a las unidades de base, las demás se derivan de ellas.
¿Porqué son éstas las unidades de base?
Se trata de un conjunto mínimo que genera las demás.Por acuerdo internacional.
Si ya las conocemos bien ¿Para qué las cambiamos?
https://www.bipm.org/en/about-us/
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ANTES
1 año = 365 días = 365 x 86 400 s = 31 536 000 s
PERO, la duración del día se está reduciendo y sufre fluctuaciones.
https://www.youtube.com/watch?v=LcgetAQLvBQ
1970 La medida del tiempo en México:
¿PARA QUÉ CAMBIAR LO QUE YA CONOCÍAMOS? El segundo
LO ACORDADO
tal que la frecuencia de la separación hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133 es exactamente igual a 9 192 631 770 hertz
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ANTES
distancia a 0 oC, entre los centros de las líneas marcadas en la barra de platino iridio conservada en el BIPM y declarada Prototipo del metro, …, sometida a presión atmosférica estándar y apoyada en dos cilindros de al menos un centímetro de diámetro, simétricamente colocados en el mismo plano horizontal a una distancia de 571 mm uno de otro (1927)
1872
Decisión de construir prototipos del metro, con referencia al Metro de los
Archivos construido en 1799 con base a la
diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano
terrestre que pasa por Dunquerque y Barcelona.
1875Firma del
Tratado del Metro
1895
El Protoripo de Metro Num. 25 llega a México
1905El Prototipo de Metro
Num. 25 se declara patrón nacional
1960Nueva definición como 1 650 763.73 veces la longitud de onda del
Kr86.
1983
Nueva definición en términos de la velocidad
de la luz en el vacío
¿PARA QUÉ CAMBIAR LO QUE YA CONOCÍAMOS? El metro
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¿PARA QUÉ CAMBIAR LO QUE YA CONOCÍAMOS? El kilogramo
ANTES Y AHORA
masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1889)
Ref: R. Davis. Phil. Trans. R. Soc. A (2005) 363, 2249–2264
PERO
¿Ha variado el Prototipo Internacional, o lo han hecho sus testigos?
1892El Protoripo de kilogramo Num. 21 arriba a México
1994Se declara como Patrón Nacional de Masa a cargo del CENAM
1889
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Measurement regionaccessible to all
Measurement regionas yet undiscovered
Best commercialinstrument
Replaceinstrument
Replacestandard
Nationalstandard
Discovery toproduction lag
Limit ofindustrialtechnology
Limit of measurementtechnology
Time/year1980 1990 2000
108 104 104
1012 108 106
1016 1012 108
second metre volt, etc
Frac
tio
nal
Acc
ura
cy: p
arts
in 1
0n
Ref: B. Petley, NPL
DEMANDA CRECIENTE DE EXACTITUD
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Ref: J. C. Maxwell, Presidential address to the British Association for the Advancement of
Science,1870, citado por T. Quinn y K. Burnett en Phil. Trans. R. Soc. A (2005) 363, 2101–2104
Si deseamos obtener patrones de medidapara longitud, tiempo y masa que seanabsolutamente permanentes, debemosbuscarlos no en las dimensiones, ni en elmovimiento, ni en la masa de los planetas,sino en la longitud de onda, en el periodode vibración, o en la masa absoluta de lasimperecederas, inalterables yperfectamente similares moléculas.
James Clerk Maxwell
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Unidad de medidaideal
Inmutable: No cambia con el tiempo, se conserva.Universal: Válida en todo sitio.Accesible: Todos los interesados pueden usarla.
unidad de medida
magnitud escalar real, definida y adoptada por convenio, con la que se puede
comparar cualquier otra magnitud de la misma naturaleza para expresar la relación
entre ambas mediante un númeroRef. VIM, NMX-Z-055-IMNC
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Conservación de la masa (Lavoisier, 1789) en sistemas impermeables
PERO no se cumple en presencia de reacciones nucleares.
Conservación de la energía (Helmholtz, 1847), en sistemas cerrados
SIN EMBARGO tenemos que considerar
c velocidad de la luzh constante de PlanckkB constante de BoltzmanNA Número de Avogadroa constante de estructura finae carga elementalR constante universal de los gasesR∞ constante de Rydberg…
Eppur
¿CANTIDADES INMUTABLES?
existen cantidades aparentemente inmutables (± incertidumbre del experimento), independientes de otras magnitudes, de condiciones ambientales, del lugar, del tipo de fenómeno, …, por ejemplo:
2
htE
Ref: CODATA http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html
Se dispone de más de 250 “constantes”
PERO, las llamadas fundamentalesestán asociadas a leyes físicas suficientemente probadas como Relatividad, Mecánica Cuántica, Electrodinámica, Termodinámica, …
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LAS UNIDADES BASE ANTES, HOY Y LAS ACORDADAS
ANTES AHORA LO APROBADO
segundo fracción 1/31 556 925.9747 del año tropical de 1900, enero 0 a 12 horas del tiempo efeméride (1960)
duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del Cs133 (1967)
tal que la frecuencia de la separación hiperfinadel estado base del átomo de Cesio-133 es exactamente igual a 9 192 631 770 hertz
metro distancia a 0 oC, entre los centros de las líneas marcadas en la barra de platino iridio conservada en el BIPM y declarada Prototipo del metro, …, sometida a presión atmosférica estándar y apoyada en dos cilindros de al menos un centímetro de diámetro, simétricamente colocados en el mismo plano horizontal a una distancia de 571 mm uno de otro (1927)
longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo (1983)
tal que la velocidad de la luz en el vacío es exactamente igual a 299 792 458 metros por segundo
https://www.bipm.org/en/measurement-units/base-units.html
https://www.youtube.com/thebipm
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ANTES AHORA LO APROBADO
kilogramo masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1889)
masa igual a la del prototipo internacional del kilogramo (1889)
tal que la constante de Planck es exactamente igual a 6.626 068 96 ×10-34
joule segundo
ampere Intensidad de una corriente constante que mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos de longitud infinita, cuya área de sección circular es despreciable, colocados a un metro de distancia entre sí, en el vacío, producirá entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10-7 newton por metro de longitud (1948)
tal que la carga elemental es exactamente igual a 1.602 176 487 ×10-19
coulomb
LAS UNIDADES BASE ANTES, HOY Y LAS ACORDADAS
https://www.bipm.org/en/measurement-units/base-units.html
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ANTES AHORA LO APROBADO
kelvin fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (1973)
tal que la constante de Boltzmann es exactamente igual a 1.380 650 4 ×10-23 joule por kelvin.
mol cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales como existan átomos en 0.012 kg de C12
(1971)
tal que la constante de Avogadro NA es exactamente igual a 6.022 141 79 ×1023
por mol.
candela Intensidad luminosa, en la dirección perpendicular a una superficie de 1/600 000 metros cuadrados, de un cuerpo negro a la temperatura de solidificación del platino bajo una presión de 101 325 newton por metro cuadrado.
Intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y cuya intensidad energética en esa dirección es 1/683 watt por esterorradián (1979)
tal que la eficacia espectral luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 ×1012 hertz es exactamente 683 lúmenes por watt.
LAS UNIDADES BASE ANTES, HOY Y LAS ACORDADAS
https://www.bipm.org/en/measurement-units/base-units.html
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4 unidades base, todas independientes y todas basadas en artefactos
kg – el prototipo internacional, un decilitro de aguam – basado en un meridiano terrestres – rotación de la tierraoC – puntos fijos del agua
kg m s oC
N
J
W
Unidades derivadas
Unidades de base
EL SISTEMA MÉTRICO DECIMAL (1880)
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EL SISTEMA INTERNACIONAL EN 2018
s
kc e NAh
cdmolm kg A K
Cs-133(hps)
KConstantes Fundamentales
Unidades
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m
B
IJosephson
vóltmetro
fuente de corriente
B
vJosephson
vóltmetro
fuente de corriente
Vind
láser
contador de franjas
Y AHORA, ¿CÓMO SABREMOS LOS NUEVOS VALORES DE MASA?
Para medir masas en términos del valor de hUn manera: Balanza de Kibble
m∙g∙v = Vind ∙ I
fe
hCCvgm HJ
3
2
2
Entonces,
y como
Tracing Planck’s constant to the kilogram by electromechanical methods, A Eichenberger, B Jeckelmann and P Richard, Metrologia 40 (2003) 356–365
fase estáticafase dinámica
g
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Y AHORA, ¿CÓMO SABREMOS LOS NUEVOS VALORES DE MASA?
Para medir masas en términos del valor de hOtra manera: XRCD x-ray cristal density – conteo de átomos en un cristal
Ref: Fujii, Bettin, Becker, Massa, Rienitz, Pramann, Nicolaus, Kuramoto, Busch and Borys. Realization of the kilogram by the XRCD method. Metrologia 53 (2016) A19-A45.
a
Si28
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PERO, ¿CUÁL ES LA MEJOR MANERA?
Las dos maneras son consistentes
Ref: Stock, Barat, Pinot, Beaudoux, Espel, Piquemal, Thomas, Ziane, Abbott, Haddad, Kubarych, Pratt, Schlamminger, Fujii, Fujita, Kuramoto, Mizushima, Zhang, Davidson, Green, Liard,
Sanchez, Wood, Bettin, Borys, Busch, Hampke, Krumrey and Nicolaus. A comparison of future realizations of the kilogram. Metrologia 53 (2018) T1-T7.
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LABORATORIO
DE CALIBRACIÓN
SOPORTADAS EN UNA REFERENCIA CONFIABLE:trazabilidad metrológica
BIPMPATRÓN NACIONAL
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
MEDICIONES
UNIDAD
OTROSINSTITUTOS NACIONALES
DE METROLOGÍA
CIPM
CIPM: Comité Internacional de Pesas y MedidasBIPM: Oficina Internacional de Pesas y Medidas
INDUSTRIA
EVALUADORES DE LA
CONFORMIDAD
la masa de un kilogramo es tal que la constante de Planck es exactamente igual a 6.626 068 96 ×10-34
joule segundoRef: The SI Units, BIPM.
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LABORATORIO
SECUNDARIO
DE CALIBRACIÓN
USUARIOS
PATRÓN NACIONAL
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
MEDICIONES
INSTITUTO
NACIONAL DE
METROLOGÍA
PATRÓN NACIONAL
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
MEDICIONES
REFERENCIA UNIVERSAL
CIPM-ARM
UNIDAD DE MEDIDA
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¿Y LOS NUEVOS VALORES DE MASA?
u = 0Prototipo del kilogramo
Prototipo K21
Patrones detrabajo
Patrones dereferencia
Patrones parala industria
Mediciones enla industria
u ≈ 5 x 10-9
U ~ 5 x 10-6
U ~ 1 x 10-6
U ~ 5 x 10-8
U ~ 5 x 10-7
Prototipo del kilogramo
Prototipo K21
Patrones detrabajo
Patrones dereferencia
Patrones parala industria
Mediciones enla industria
hu = 0
u ~ 10-9
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¿CUÁNDO MEDIR EN EL CICLO DE VIDA DE UN PRODUCTO?
descubrimiento
Investigación básica
Investigación estratégica
Innovaciónindustrial
comercia-lización
utilización desecho
ciclo de vida del producto
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10-9 m 10-6 m 10-3 m
1 mm 1 mm 1 nm
10-10 m
1 Å
Tolerancias paraprecisión “normal
fulerenos
~1 nm
~30 nm
nanopartículasde plata
nanotubos de carbono
nanoescalaintervalo of dimensiones de 1 nm a 100 nm, aproximadamente
Ref: NMX-NAN0-27687-2010
Propiedades novedosas que no son extrapolaciones de la materia a tamaños mayores
100 nm
~0.1 nm
átomo de hidrógeno
LA NANOESCALA
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LABORATORIO
DE CALIBRACIÓN
SOPORTADAS EN UNA REFERENCIA CONFIABLE:trazabilidad metrológica
BIPMPATRÓN NACIONAL
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
MEDICIONES
UNIDAD
OTROSINSTITUTOS NACIONALES
DE METROLOGÍA
CIPM
CIPM: Comité Internacional de Pesas y MedidasBIPM: Oficina Internacional de Pesas y Medidas
INDUSTRIA
EVALUADORES DE LA
CONFORMIDAD
la longitud de un metro es tal que la velocidad de la luz en el vacío es exactamente igual a 299 792 458 metros por segundo
Ref: The SI Units, BIPM.
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rejillas
medidas materializadas
cristales de silicio
difractometría óptica
interferometría óptica
interferometría óptica y de rayos X
cámar
a CCD
divisor de
haz
He-Ne laser
mesa
goniométr
ica
procesador de
imagen
f
il
t
r
o
1
2
-
1
-
2
-
3
reji
lla
RETO: DIVIDIR EL METRO EN 1000 MILLONES
Herrera, M. E., Viliesid A. M. (2010). Construcción de un instrumento para medición de rejillas de difracción. Simposio de Metrología 2010. CENAM.
PATRÓN NACIONAL
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
PATRÓN DE REFERENCIA
PATRÓN DE TRABAJO
MEDICIONES
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El propósito de la definición es decidir cuándo un material deba ser considerado como nanomaterial en el contexto de las regulaciones de la Unión Europea.
COMO CUALQUIER OTRA, LA NANOTECNOLOGÍA IMPLICA RIESGOS
¿Y CÓMO SABEMOS SI CUMPLIMOS?
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REFLEXIONES FINALES
• Las definiciones de las unidades del Sistema Internacional se han sido revisadas cada vez que se demandan mayores exactitudes y se dispone de conocimientos suficientes para dar un respaldo sólido a las nuevas propuestas.
• El kilogramo es la única unidad aún definida por un artefacto después de poco más de 125 años.
• Dicho artefacto, el Prototipo de Kilogramo, es objeto de fundadas sospechas de estar sufriendo variaciones.
• Las denominadas constantes fundamentales, cuya invariancia ha sido demostrada hasta ahora por múltiples experimentos, son los candidatos naturales para servir de base a las nuevas definiciones, continuando con el enfoque seguido en la actual definición del metro en términos de la velocidad de la luz.
• A partir del 20 de mayo de 2019 entrarán en vigor las nuevas definiciones de las unidades de base del SI en términos de los valores fijados para algunas constantes fundamentales.
• Estos valores serán tales que aseguren la continuidad de los resultados de medición en los demás eslabones de las cadenas de trazabilidad.
CONSECUENCIAS: Las referencias son más estables y no implican variaciones en los valores de las mediciones ya hechas.
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Rubén J. Lazos MartínezCentro Nacional de Metrología
rlazos@cenam.mx01 (442) 211 0575
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN Y SU TIEMPO
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