Unità, Sistemi di

Unità, Sistemi di

(XXXIV, p. 714; App. III, ii, p. 1016; IV, iii, p. 729; V, v, p. 650)

L'aggiornamento delle nostre conoscenze nel campo dei sistemi di u. di misura segue gli sviluppi della metrologia (v. in questa Appendice) che, a sua volta, tiene conto dei progressi della fisica, della tecnologia e della chimica.

figura

Il sistema universalmente adottato è il Sistema internazionale (SI) di u. di misura che, attraverso le risoluzioni della Conférence générale des poids et mesures (CGPM, istituzione introdotta con l'adozione della Convenzione del metro, 1875, e a cui oggi aderiscono 48 paesi), è regolamentato in funzione delle esigenze della ricerca, della tecnologia e delle varie attività pratiche. È mostrato in figura l'organigramma del coordinamento internazionale degli enti preposti alla omologazione e verifica delle norme metrologiche.

La CGPM si riunisce ogni quattro anni; l'ultima conferenza, la xxi in ordine di tempo, ha avuto luogo nel 1999 e in essa sono stati discussi i risultati elaborati dai gruppi di ricerca, operanti principalmente negli Istituti nazionali metrologici e rappresentati dai Comitati consultivi (riunioni con frequenza quasi annuale) e dal Comité international des poids et mesures (CIPM, riunioni una volta all'anno).

Poiché la scelta del SI è condizionata dalla possibilità di realizzare campioni che possano essere utilizzati in tutte le attività pratiche e che inoltre possano essere realizzati con la più elevata precisione possibile, in occasione della xxi CGPM sono stati ribaditi: a) la necessità di utilizzare il SI in tutti i settori, oltre a quelli fisico, tecnologico e chimico, nelle ricerche sulle risorse terrestri, l'ambiente, la sicurezza umana e gli studi connessi; b) la riferibilità dei campioni a livello mondiale; c) il bisogno di ricerche metrologiche a lungo termine.

Più in generale, la scelta di una u. di misura si ispira ai seguenti criteri: l'u. deve essere definibile in maniera semplice, univoca e completa; deve essere riferita possibilmente a un campione naturale, invariabile nel tempo e nel luogo; deve essere facile il trasferimento dal campione naturale a un campione materiale; il campione naturale deve essere di possibile realizzazione e di facile riproducibilità. Attualmente le u. di misura sono divise in due sole categorie: le unità fondamentali (o di base) e le unità derivate, essendo stata soppressa, in seno alla xx CGPM, la categoria delle unità supplementari, assorbite nelle u. derivate; queste u. godono, come tutte le u. del SI, della proprietà di coerenza secondo la quale esse sono collegate mutuamente da regole di moltiplicazione e divisione con fattori numerici unitari. Le due u. supplementari, radiante per l'angolo piano e steradiante per l'angolo solido, entrano così a far parte delle u. derivate, ed essendo ciascuna il rapporto tra due grandezze della stessa specie risultano senza dimensioni.

Nel seguito vengono prese in considerazione le modifiche più rilevanti apportate alle sette u. fondamentali del SI, al fine di migliorare, in particolare, la precisione nella realizzazione dei campioni di misura.

L'unità di massa: il kilogrammo

Con l'introduzione, nel 1971, della mole quale u. della quantità di sostanza, le u. fondamentali sono diventate sette, tra cui solo una, l'u. di massa, è realizzata con un campione materiale costituito dal kilogrammo (o chilogrammo) prototipo internazionale di platino-iridio, conservato presso il BIPM (Bureau International des Poids et Mesures), a Sèvres. Le altre sei u. sono definite a mezzo delle costanti fondamentali o atomiche e sono realizzate con campioni al più alto livello di precisione.

Considerato che i prototipi nazionali del kilogrammo, esistenti presso i paesi che aderiscono alla Convenzione del metro, hanno mostrato delle derive significative, è stato deciso di effettuare nel periodo 1988-92 una terza verifica (le prime due erano state effettuate nel 1889 e nel periodo 1946-53). La novità introdotta a seguito della terza verifica consiste nel fatto che la massa di riferimento è quella del prototipo internazionale dopo un procedimento di pulizia e lavaggio fatto dal BIPM, e che il valore di questa massa dev'essere ottenuto per estrapolazione. Perciò, a parte il problema della realizzazione del campione, la definizione dell'u. è rimasta quella iniziale, introdotta nel 1901 in occasione della iii CGPM. I prototipi nazionali sono stati confrontati con altri 10 prototipi del BIPM, di cui 6 testimoni (cioè prototipi di riferimento) e 4 prototipi del BIPM (uno di uso eccezionale e tre di uso corrente); il confronto è fatto con riferimento al prototipo internazionale. L'ampiezza delle variazioni rispetto al prototipo internazionale, dell'ordine della frazione di microgrammo ad anno e con un'incertezza globale di 2,3 μg, può essere giustificata dall'usura causata dall'utilizzazione, dall'aumento della massa per una contaminazione irreversibile delle superfici e da altre possibili cause. Per quanto riguarda l'Italia, oltre al prototipo nazionale (conservato a Roma, Ufficio centrale metrico del Ministero dell'Industria, Commercio e Artigianato), è stato inserito nella terza verifica un altro prototipo (conservato a Torino, Istituto di metrologia G. Colonnetti del CNR), la cui massa, confrontata con la massa di due prototipi di uso corrente del BIPM, nel 1993 ha fornito il valore di 1 kg −0,907 μg. Inoltre, considerata l'instabilità della massa dei prototipi nazionali, è stato raccomandato ai laboratori nazionali di aprire la via a una nuova definizione di u. di massa fondata, come le altre u., su costanti fondamentali o atomiche.

L'unità di lunghezza: il metro

È opportuno ricordare che la nuova definizione del metro è basata sul valore di 299.792.458 m/s adottato per la velocità della luce (xvii CGPM, 1983), e che tutti i laboratori metrologici nazionali realizzano il metro mediante una o più radiazioni di laser asserviti. Queste radiazioni, se vengono prodotte nelle condizioni specificate, hanno valori noti della loro frequenza e della loro lunghezza d'onda, che si situano nei limiti d'incertezza determinati.

Oltre al vecchio campione al krypton 86, le radiazioni di laser oggi raccomandate sono otto. I campioni si ripartiscono in tre categorie: 1) quelli che assicurano la continuità con la precedente definizione; 2) quelli che non sono frequentemente utilizzati per misurare lunghezze, ma che costituiscono dei riferimenti importanti per le catene di misura della frequenza; 3) quelli che sono utilizzati nella metrologia di alta precisione. Tra quelli dell'ultima categoria ve ne sono due, uno asservito sul metano e l'altro asservito sullo iodio. Per i laser asserviti sul metano l'incertezza raggiungibile è stata stimata in 3∙10⁻¹², mentre il sistema asservito sullo iodio, in determinate condizioni, può raggiungere un'incertezza stimata di 2,5∙10⁻¹¹. L'attività di coordinamento dei confronti internazionali di frequenza di laser e lo scambio d'informazioni sulla metrologia dimensionale so-no compiti svolti dal BIPM. Ai laboratori nazionali è richiesto d'impegnare gli sforzi di ricerca sui nuovi campioni di frequenza e sulle tecniche di confronto, per raggiungere da ultimo una più elevata precisione nelle misure di lunghezza.

L'unità di tempo e il Tempo atomico internazionale (TAI): il secondo

Il secondo si distingue dalla maggior parte delle altre u. del SI per il fatto che di esso non può esistere un campione materializzato. Nei laboratori primari viene realizzato un campione di frequenza attuato in conformità con il campione che definisce il secondo, ma per disseminare il secondo bisogna costruire una scala di tempi, costituita dai campioni di frequenza. Detta frequenza viene poi confrontata con la frequenza degli oscillatori elettronici a quarzo che costituiscono il mezzo di trasferimento dal campione atomico al campione materiale. Negli ultimi anni la stabilità del TAI a medio e a lungo termine ha raggiunto il valore di circa 10⁻¹⁵, e migliori possibilità sono legate a un 'orologio a fontana di atomi di cesio raffreddati', con il quale si spera di raggiungere un'incertezza relativa dell'ordine di 10⁻¹⁵÷10⁻¹⁶.

Per raggiungere e migliorare questi risultati è richiesto che più laboratori, nazionali e non, assicurino sia le risorse e il personale per conservare in stato di funzionamento i nuovi campioni sui quali è basata la precisione del TAI e dell'UTC (Universal Time Coordinated), sia l'avvio di studi e ricerche per meglio comprendere le correlazioni fra gli orologi. Ai laboratori partecipanti alla determinazione del TAI è inoltre richiesto: di assicurare la costanza delle condizioni d'installazione e di funzionamento di ciascun orologio che contribuisce al TAI; di conservare con cura la documentazione di tali condizioni e di comunicarla al BIPM, che ha assunto sia la responsabilità del mantenimento e della diffusione del TAI, prima mantenuta dal Bureau international de l'heure, sia l'incarico della diffusione dell'UTC.

Un altro settore in cui negli ultimi anni è stato fatto un notevole progresso è quello delle tecniche di confronto di orologi a grande distanza utilizzando il GPS (Global Positioning System). In questo settore il BIPM ha il ruolo di assicurare l'organizzazione e il coordinamento delle osservazioni di satelliti usati per la realizzazione del Sistema.

L'unità di temperatura: il kelvin

Tra i cambiamenti intervenuti nel campo delle u. di temperatura, i più importanti sono costituiti dalla entrata in vigore, a partire dal 1° gennaio 1990, della nuova Scala di temperatura internazionale (STI-90), che sostituisce sia la Scala internazionale provvisoria di temperatura del 1968 (SIPT-68) sia quella del 1976 (SIPT-76) tra 0,5 K e 30 K.

I vantaggi della STI-90 rispetto alla precedente scala sono i seguenti: la scala si estende a temperature molto più basse, cioè a 0,65 K (o anche minori) anziché a 13,81 K della SIPT-68; realizza un migliore accordo con le temperature termodinamiche; mostra migliore continuità e precisione; presenta numerosi intervalli e sottointervalli parzialmente sovrapposti fra loro; include nuove e più precise versioni della scala di tensione di vapore dell'elio-3 e dell'elio-4; include un termometro a gas tarato a tre punti fissi, con funzione di termometro interpolatore tra 3 K e 24,6 K; innalza il limite superiore del termometro a resistenza di Pt al punto di solidificazione dell'argento (961,78 °C). I punti di solidificazione dell'argento, dell'oro e del rame possono essere assunti, in alternativa, come punti di riferimento di questa scala. Le non trascurabili differenze tra la STI-90 e la SIPT-68 sono note con sufficiente accuratezza: per es., per 20 °C si ha t₉₀−t₆₈=−5 mK, differenza che dev'essere tenuta in conto nella realizzazione delle u. elettriche. Sulla base delle caratteristiche della nuova scala STI-90, i laboratori nazionali proseguono i loro sforzi per migliorare l'uniformità sul piano mondiale e la stabilità a lungo termine delle misure di temperatura, con l'obiettivo di attuare rapidamente la STI-90, mantenendo i programmi di ricerca sulla termometria fondamentale.

L'unità d'intensità di corrente elettrica: l'ampere

Pur essendo noto che nel SI l'u. fondamentale è l'ampere, le due u. usate nelle misure elettriche in tutti i laboratori metrologici sono le u. di forza elettromotrice (il volt) e di resistenza elettrica (l'ohm).

Se l'ampere è realizzato sperimentalmente, l'incertezza nella sua determinazione è di circa 3∙10⁻⁶; se si fa riferimento invece all'ampere definito a mezzo di campioni che mantengono il volt e l'ohm, la differenza relativa rispetto ai campioni mantenuti al BIPM è di qualche u. in 10⁶, come è risultato dal confronto fatto tra il 1976 e il 1980 tra diversi laboratori. La scoperta dell'effetto Josephson e dell'effetto Hall quantistico ha reso possibile la determinazione del volt e dell'ohm in termini di costanti fondamentali con misure la cui incertezza è di alcune parti in 10⁷.

La costante di Josephson, K_J, è eguale a 2e/h ; la costante di von Klitzing, R_K, è eguale ad h/e², entrambe essendo collegate con la carica assoluta e dell'elettrone e la costante di Planck, h. I valori di queste costanti sono stati determinati e sono usati da tutti i laboratori dal 1° gennaio 1990, e sono pertanto indicati con K_J₋₉₀ e R_K₋₉₀. I valori convenzionali raccomandati dal CIPM sono: per la costante di Josephson K_J₋₉₀=483 597,9 GHz/V, con un'incertezza di±4∙10⁻⁷; per la costante di von Klitzing R_K₋₉₀=25 812 807 W, con un'incertezza di±2∙10⁻⁷. La messa a punto di campioni fondati sull'effetto Josephson e sull'effetto Hall quantistico ha notevolmente aumentato la precisione con cui si possono fare misure di elettricità; ci vorrà tuttavia del tempo e un considerevole sforzo perché i laboratori nazionali raggiungano una precisione superiore a quella attuale.

L'unità di quantità di sostanza: la mole

La mole è stata introdotta nel SI dalla xiv CGPM nel 1971 su richiesta della IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics), della IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) e dell'ISO (International Organization for Standardization). Nel 1993 il CIPM ha deciso di creare un Comitato consultivo per la quantità di sostanza con i seguenti compiti fondamentali: 1) consigliare il CIPM sulle questioni legate alla precisione delle analisi chimiche quantitative e alla loro riferibilità alle u. di base del SI; 2) coordinare le attività dei laboratori nazionali di metrologia per definire questa riferibilità ai più alti livelli; 3) stimolare la comprensione del concetto d'incertezza e associare il valore dell'incertezza al risultato di ogni misura chimica.

Con l'attuazione di questi compiti, affidati ai laboratori metrologici nazionali, agli esperti nazionali, regionali e internazionali che operano nell'ambito del Comitato consultivo, si cerca di salvaguardare l'ambiente e gli ecosistemi e si prendono misure contro l'inquinamento dovuto a sostanze tossiche.

L'unità d'intensità luminosa: la candela

La maggior parte dei laboratori metrologici nazionali fonda oggi la realizzazione dell'u. di base fotometrica sulla radiometria. L'evoluzione prevista all'epoca dell'adozione della nuova definizione della candela (xvi CGPM, 1979), da un lato, e i progressi conseguiti in radiometria assoluta (1980) e in spettroradiometria, dall'altro, hanno permesso di raggiungere una precisione più elevata.

Il Comitato consultivo per la fotometria e la radiometria (CCPR, Consultative Committee for Photometry and Radiometry) ha in programma di effettuare uno dei suoi prossimi confronti internazionali su campioni nazionali fotometrici facendo circolare dei sensori a fotodiodi corretti per il cromatismo. Poiché le lampade di alta qualità continuano a giocare un ruolo importante come campioni fotometrici, un altro gruppo di lavoro del CCPR è stato incaricato di coordinare un nuovo confronto internazionale di campioni d'intensità luminosa e di flusso luminoso in tale direzione. Le ricerche in atto sono rivolte a misure radiometriche in vista di applicazioni tecniche non solamente in fotometria ma anche in altri settori che coinvolgono, per es., le comunicazioni mediante fibre ottiche e le misure dell'ultravioletto in aria. La precisione in radiometria è inoltre fondamentale per le ricerche nello spazio sulle sorgenti terrestri e nello studio dell'irraggiamento solare.

A seguito delle decisioni prese in occasione della xix CGPM, sono stati installati presso il BIPM (che funge da laboratorio pilota) e presso altri laboratori nazionali dei radiometri criogenici (strumenti ricevitori, mantenuti alla temperatura dell'elio liquido, che misurano la potenza radiante ricevuta per sostituzione elettrica) che possano fornire un riferimento stabile e preciso per lavori ulteriori nel settore. Essi consentono di determinare la potenza emessa da laser con un'incertezza relativa inferiore a 10⁻⁴.

Le unità derivate

Se si confronta l'elenco delle u. derivate (dotate di nome proprio nel SI al momento della sua adozione) con quello attuale, ci si può chiaramente accorgere come nel corso delle ventuno conferenze generali siano state adottate nuove u. che rispondono a esigenze soprattutto pratiche, come è il caso delle u. nel settore della salute pubblica: il bequerel (Bq) per l'attività di un radionuclide, il gray (Gy) per la dose assorbita, il sievert (Sv) per l'equivalente di dose assorbita da tessuti biologici e il katal (kat), usato per l'unità SI mole per secondo per esprimere l'attività catalitica specialmente nei settori della medicina e della biochimica.

Un altro esempio, che dimostra l'importanza attribuita ai problemi pratici, è costituito dal litro, u. con nome speciale dato al decimetro cubo, usato in misure di non elevata precisione. Per evitare di confondere il simbolo l con il numero 1 è stato deciso di dare anche il simbolo L, con lettera maiuscola, sebbene tale norma sia riservata ai simboli delle u. denominate con nome proprio. Oltre a rispondere a esigenze pratiche, il SI risponde anche a esigenze legislative, per cui ogni paese fissa le regole riguardanti l'impiego delle u. del SI su piano nazionale. A questo fine fu creata nel 1955 l'Organizzazione internazionale di metrologia legale (OIML), che si occupa dell'armonizzazione internazionale delle diverse legislazioni.

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