Kaiken mittaamisen perustana toimiva SI-järjestelmä muuttuu toukokuussa 2019. Uudistuksessa neljä perusyksikköä – ampeeri, kilogramma, kelvin ja mooli – määritellään uudelleen luonnonvakioiden avulla. Näin ne voidaan toteuttaa aina ja kaikkialla parhaimmalla käytössä olevan teknologian tarkkuudella.
Tieteen ja teknologian kehittyessä tarvitaan yhä tarkempaa mittausta entistä laajemmilla mittausalueilla. Kaikki perusyksiköt halutaan siksi määritellä luonnonvakioiden avulla, jotta ne voidaan toteuttaa aina ja kaikkialla parhaimmalla käytössä olevan teknologian mahdollistamalla tarkkuudella.
’’Tulevaisuuden elektroniikka- ja lääketeollisuuden valmistusprosesseissa mitataan yhä pienempiä kohteita aina atomitasolle saakka: näissä SI-järjestelmän uudistuksen tuoma parempi tarkkuus on merkittävässä roolissa. SI-uudistuksen odotetaan myös ajan mittaan mahdollistavan tekniikoita ja tieteellisiä löytöjä, joita emme vielä osaa edes kuvitella”, toteaa johtaja Martti Heinonen VTT:n Mittatekniikan keskuksesta (Mikes).
Uudessa SI-järjestelmässä yksiköt määritellään Mikesin mukaan viiden luonnonvakion ja kahden atomien ominaisuuksiin perustuvan vakion kautta. Luonnonvakiot ovat valon nopeus tyhjiössä, Planckin vakio, alkeisvaraus, Boltzmannin vakio ja Avogadron vakio. Atomien ominaisuuksiin perustuvat vakiot ovat cesiumin perustilan tietty ylihienorakenteen siirtymä sekä tietyn taajuisen säteilyn valovoima.
Ampeeri ennen
Kun kaksi äärettömän pitkää ja äärettömän ohutta johdinta asetetaan metrin etäisyydelle toisistaan, ja molemmissa kulkee yhden ampeerin suuruinen sähkövirta, johdinten välille syntyy voima jonka suuruus on 2 x 10-7 newtonia johdinmetriä kohden.
Vanhan määritelmän mukaista mittausta on lähes mahdotonta tehdä tarpeeksi tarkasti. Toisaalta voiman yksikkö newton sitoo ampeerin kilogramman prototyypin massaan, jonka tiedetään muuttuvan.
Ampeeri jatkossa
Uudessa määritelmässä ampeeri on sidottu yhden elektronin niin kutsuttuun alkeisvaraukseen. Suorin tapa toteuttaa uusi määritelm
ä on siirtää elektroneja yksi kerrallaan, mikä onnistuu kuvan kaltaisilla, mikroskooppisen pienillä elektronipumpuilla.
Kuvassa oleva VTT:n kehittämä elektronipumppu on valmistettu CMOS-teknologialla, jota käytetään myös tietokoneprosessoreissa. Monikerrosrakenteen piiloon jääneet osat on hahmotettu katkoviivoin. Sinivihreitä rakenteita käytetään ohjaamaan sähkövirtaa sinisellä merkityssä sähköjohtimessa.
Yksittäisten elektronien hallinta vaatii kvantti-ilmiöitä ja laitteen jäähdyttämistä noin asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Mustavalkoinen elektronimikroskooppikuva on väritetty käsin.
Muodollinen päätös uudesta SI-järjestelmästä tapahtui Yleisen paino- ja mittakonferenssin (CGPM) kokouksessa Versaillesissa 13.–16.11.2018. Uusi SI-järjestelmä otetaan virallisesti käyttöön Maailman Metrologiapäivänä 20.5.2019.
Lisää: Mikes (LINKKI) ja BIPM (LINKKI)
Kuvituskuva: Mikroakut, Aalto yliopisto / Mikko Raskinen (LINKKI)