Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°62 de jun à sep 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 60

  • Taille du fichier PDF : 5,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier, le nouveau système international d'unités.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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La redéfinition du kilogramme et la balance de Kibble Matthieu Thomas (Matthieu.Thomas@lne.fr), Patrick Espel, Djamel Ziane, Patrick Pinot et François Piquemal Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), 29 rue Roger Hennequin, 78197 Trappes Depuis le 20 mai 2019, l’étalonnage d’une masse macroscopique peut se faire avec une précision pouvant atteindre 10 -8 à l’aide d’une balance de Kibble, à partir d’une valeur connue fixée de la constante de Planckh, en passant par des étalons électriques. 18 Reflets de la Physique n°62 La définition précédente du kilogramme et ses faiblesses Le prototype international du kilogramme, cylindre de platine iridié (alliage de 90% de platine et 10% d’iridium) de diamètre et de hauteur égaux à 39 mm, est l’artefact qui réalisait depuis 1889 la définition de l’unité de masse dans le Système international (SI). Cet artefact, identifié par la lettre K (connu comme « le grand K ») , est toujours conservé dans l’air, sous trois cloches de verre au pavillon de Breteuil du BIPM, à Sèvres. La masse de K était par définition toujours égale à 1 kg exactement (avec par conséquent une incertitude nulle), même si la quantité de matière que contient l’artefact évoluait. Cette définition posait plusieurs problèmes  : K était le seul moyen de réalisation de l’unité SI de la masse, et il ne pouvait être remplacé par un autre prototype en cas de détérioration ou de destruction. La masse réalisée par K était de 1 kilogramme  : l’étalonnage des masses très éloignées de cette valeur ponctuelle, en particulier pour les faibles masses, était délicate. Les conditions de conservation de K devaient être maitrisées pour contrôler sa stabilité à long terme. Ceci impliquait de limiter au strict nécessaire son utilisation, mais aussi de lui appliquer une méthode spécifique de nettoyage-lavage. Sa disponibilité en un seul lieu rendait la vérification des quelques soixante prototypes nationaux possible seulement s’ils étaient tous rassemblés au BIPM pour une durée de deux ou trois années. Ces vérifications n’ont donc eu lieu que tous les cinquante ans environ. Des vérifications impliquant la comparaison de K et des six copies officielles conservées dans les mêmes conditions que le prototype montraient une dispersion de l’évolution temporelle de l’ordre de 50 µg sur un siècle. Ce résultat était un indice fort de l’évolution de la masse de K par rapport à une référence stable, comme la masse d’un atome. Alors, avec cette définition de l’unité de masse, on arrivait à la conclusion que la masse de K ne variait pas, tandis que celle d’un atome de carbone 12 par exemple dans le SI, pouvait varier au cours des décennies  : cela était loin d’être satisfaisant. Pour des raisons de disponibilité, de pérennité et d’universalité du kilogramme, il était donc indispensable d’en changer la définition. Quelle constante fondamentale choisir pour définir le kilogramme ? Les réflexions menées au sein de la communauté internationale depuis plus d’une décennie ont abouti à un consensus en faveur d’une définition du kilogramme à partir de la constante de Planck h au détriment de la définition alternative fondée sur la constante d’AvogadroN A, selon laquelle le kilogramme serait constitué d’un nombre donné d’atomes. Deux arguments principaux expliquent ce choix. Tout d’abord, h fait partie des « constantes dimensionnées les plus fondamentales » [1] de la physique, comme la vitesse de la lumièrec, par exemple  : h est
consubstantielle à la physique quantique comme c l’est à la relativité. De plus, fixer h et la valeur de la charge électrique élémentaire e (définition de l’ampère) implique que la constante de Josephson K J = 2e/h et la constante de von Klitzing R K = h/e 2 ont des valeurs exactes dans le SI (voir à ce sujet l’article de S. Djordjevic et al., p.25)  : cela entraine immédiatement une amélioration significative de la réalisation de toutes les unités électriques dans le SI. La modification de la définition du kilogramme s’inscrit donc dans une redéfinition globale des unités du SI, permettant d’élaborer un système d’unités reposant entièrement sur des constantes de la nature. Quelles conditions pour la nouvelle définition du kilogramme ? Deux méthodes permettent de réaliser le kilogramme dans le nouveau SI  : les expériences de balance de Kibble, décrites dans cet article, et la méthode XRCD (X-ray crystal density, voir l’article de P.Cladé et S. Guellati, p.22). L’adoption de la nouvelle définition du kilogramme sous-tendait alors le respect des conditions suivantes  : 1) qu’au moins trois expériences indépendantes, comprenant à la fois des expériences de balance de Kibble et des expériences mettant en jeu une sphère de monocristal de silicium caractérisée par la méthode XRCD, donnent des valeurs cohérentes de h avec des incertitudes-types relatives n’excédant pas 5 10 -8 ; LNE Le nouveau Système international d’unités 1. La balance de Kibble du LNE. Voir le schéma de la figure 2, page 21. 2) qu’au moins l’un de ces résultats présente une incertitude-type relative qui n’excède pas 2 10 -8 ; 3) et que les prototypes et l’ensemble d’étalons de masse de référence du BIPM, ainsi que les étalons de masse utilisés dans les expériences de la balance de Kibble et XRCD, soient comparés le plus directement possible à K. Une telle exigence sur les niveaux d’incertitude était nécessaire pour garantir la continuité historique de la valeur du kilogramme et pour prendre en compte les besoins communs à la métrologie industrielle et à la métrologie légale en termes d’étalonnage des poids et des instruments de pesage. Quatre des treize expériences de balance de Kibble en cours de développement à travers le monde ont pu fournir à la date du 1er juillet 2017 des valeurs de h avec des incertitudes suffisamment compétitives pour être prises en compte dans ce qui devait être l’ultime ajustement de la valeur de h par le CODATA (voir l’article de F. Nez, p.17, et la référence [2]). De plus, ces résultats répondaient aux trois conditions de la redéfinition, permettant à la 26 e CGPM de définir le kilogramme par référence à une valeur fixe de la constante de Planck, le 16 novembre 2018. Ainsi, après des décennies de développement, le NRC (National Research Council, Canada), le NIST (National Institute for Reflets de la Physique n°62 19



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