Evolución de la metrología en Masa (Cambios en la Definición del Kilogramo) Pendientes de la vertiginosa evolución de la metrología en soporte de varios campos de la ciencia, se presenta en esta conferencia los avances en la investigación y desarrollo en favor de lograr una nueva definición del kilogramo como unidad fundamental del Sistema Internacional de Unidades que permita pasar de una definición basada en un prototipo físico como es la pesa platino-iridio a un método primario.

1. EVOLUCIÓN DE LA METROLOGÍA EN
MASA (CAMBIOS EN LA DEFINICIÓN
DEL KILOGRAMO)
Fernando García G.
Jefe Laboratorio Custodio de los Patrones Nacionales de Masa
CESMEC S.A.
CHILE

2. Temario
La definición actual Propuestas
Estado de las
investigaciones
Efectos en las
mediciones
diarias
Conclusiones

3. El kilogramo: la definición actual

4. El Comité Internacional de Pesos y Medidas
define siete unidades básicas de medición
Magnitudes fundamentales
• Longitud
• Masa
• Tiempo
• Intensidad de corriente
eléctrica
• Temperatura
• Cantidad de sustancia
• Intensidad luminosa
Unidades básicas
• Metro
• Kilogramo
• Segundo
• Ampere
• Kelvin
• Mol
• Candela

5. Todas las unidades del SI están basadas en
fenómenos físicos universalmente reproducibles
A
RK
K
mol s
cd
kg
m
KJ
e k
KJ-90RK-90
NA
G
m12
C
me
Roo
c
h
exact

R
h
e
2
2e
h
910
–8 210
–6
(10
–9
) (10
–10
)
210
–7
710
–8
910
–8
610
–16
210
–7
210
–7
210
–7
2 x 10
–4
7 x10
–12
210
–7
10
–12
10
–4
210
–6
310
–9
910
–8
310
–9
RK
 0
F
9 x 10
8
TJQ August 2004
exact
R
?
?
?
?

6. “El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del
Prototipo Internacional del Kilogramo”
• Fabricado en 1879 por Jonhson
Matthey
• 90% Platino y 10% Iridio
• 39 mm de diámetro
• 39 mm de altura
• Densidad de 21500 kg/m3

7. El problema con esta definición son los
cambios que sufre el IPK en el tiempo
• El IPK es un objeto susceptible a:
• Suciedad y polvo
• Manipulación
• Influencia térmica
Variaciones en el tiempo
Fuente: BIPM website

8. Por tanto, se hace necesario redefinir el kilogramo
mediante una relación con una constante física
invariante
• La última comparación de los
prototipos nacionales del
kilogramo (NPK) con el prototipo
internacional del kilogramo (IPK)
muestran divergencias del orden
de en los últimos 100
años.
• Ya que ninguno de los objetos
comparados pueden haber
sufrido cambios en el tiempo, no
es posible decidir cuales
“perdieron” o “ganaron” masa.
50 𝜇𝑔

9. La propuesta para redefinir el kilogramo considera
utilizar la constante de Planck en vez del IPK
• Para redefinir el kilogramo, se
debe determinar una relación
entre el valor de masa de un
cuerpo y una constante física.
• De esta forma se elimina la
variación temporal en la
definición de la unidad.
• De las relaciones existentes, la
que presenta los mayores
beneficios es la constante de
Planck. ℎ

10. La constante de Planck, llamada “cuanto de
acción” proviene de la mecánica cuántica
• Max Planck, a comienzos del siglo XX, consideró que la energía absorbida
por un cuerpo negro se establecía en paquetes (o cuantos) de energía.
• La constante trasciende a varias ramas de la física, como las relaciones
termodinámicas, las electromagnéticas, e incluso, las mecánicas.
𝐸 = ℎ𝜈

11. Siguiendo la propuesta, lo que se busca entonces
es determinar la constante de Planck

12. Propuestas

13. Actualmente, existen dos ideas que están en
desarrollo
• Determinar la relación entre la
masa de un cuerpo y la
constante de Planck mediante el
experimento de la balanza de
Watt.
• Determinar h indirectamente
mediante el Número de
Avogadro

14. La balanza de Watt utiliza la equivalencia de
potencia eléctrica y mecánica
• Una balanza tradicional de brazos
iguales utiliza dos pesas, una a
cada lado del pivote, y busca el
equilibrio estático.
• La balanza de Watts, en cambio,
utiliza sólo una pesa en uno de los
extremos, mientras que en el otro
dispone una bobina que cuelga
libremente, sometida a un cambio
magnético.
• El equilibrio se logra observando la
corriente eléctrica que se necesita
para equilibrar la pesa.

15. La condición de equilibrio mecánico y el fenómeno
de FEM inducida permiten la equivalencia
m =
u'1 u'2 fj1 fj2
r'
1
gv
h
4
Esta ecuación establece la
relación entre la masa de un
cuerpo y la constante de Planck

16. Actualmente, existen 6 países que declaran
tener una balanza de Watt
BIPM (Internacional – Francia)
NIST (USA)
NPL (Inglaterra)
NRC (Canadá)
KRISS (Corea)
METAS (Suiza) De ellos, solo 4 laboratorios
han publicado sus resultados
NIST (USA)
NPL (Inglaterra)
NRC (Canadá)
METAS (Suiza)

17. El Proyecto Internacional Avogadro utiliza otra
vía: contar átomos
• Un mol es la cantidad de sustancia que contiene un número
determinado de entidades (átomos, por ejemplo).
• Ese número se conoce como el Número de Avogadro, y tiene un valor
aprox. de 6,022x1023.
• Ejemplo: un mol de silicio es la cantidad de silicio con el que se logra
obtener 6,022x1023 átomos de silicio.

18. La idea es contar los átomos de una esfera de
silicio
¿Por qué silicio?
Las técnicas actuales, provenientes
de la industria de
semiconductores, permiten
controlar el crecimiento cristalino
del silicio, creando redes casi
perfectas.
¿Por qué una esfera?
Porque no tiene esquinas.

19. El conteo se basa en las propiedades de la red
cristalina del silicio
Una celda unitaria de
silicio contiene 8
átomos.
El volumen de la celda
se determina a partir
de un parámetro
conocido como la
constante de red (a).
NA =
nMV
a3
m

20. El Proyecto Internacional Avogadro lo
desarrollan 7 países
NMI (Australia)
SMD (Bélgica)
PTB (Alemania)
INRIM (Italia)
NMIJ (Japón)
NPL (Inglaterra)
NIST (USA)
De ellos, PTB es el instituto que lidera
el proyecto

21. Estado actual de las
investigaciones

22. El Comité Consultivo para Masa y Magnitudes
Relacionadas CCM estableció algunas
recomendaciones antes de redefinir el kg
1. Al menos tres independientes experimentos, provenientes de los
proyectos de la Balanza de Watt o del Número de Avogadro, deben lograr
valores de las constantes con una incertidumbre relativa no mayor a 5x10-8
2. Al menos uno de los resultados debe tener una incertidumbre relativa de
2x10-8
3. Para cada constante, los valores provenientes de los diferentes
experimentos deben ser consistentes a un nivel de confianza del 95%
Y otras más…

23. 1. Se han logrado dos de los tres resultados
independientes
• NIST logró determinar un valor
de h con incertidumbre relativa
menor a 5x10-8, y se está a la
espera de que otro laboratorio
reporte sus resultados.
Incertidumbre relativa: 3,6x10-8
*2014: NRC estaba cerca: 6,5x10-8
• Por otra parte, el Proyecto
Internacional Avogadro ya logró
obtener incertidumbres relativas
menores a 5x10-8

24. 2. Ningún resultado ha logrado una
incertidumbre relativa menor a 2x10-8

25. 3. El nivel de confianza ya fue alcanzado en
dos mediciones de NIST, en Agosto de 2015

26. Los resultados aún no publicados son
esperanzadores
• NRC ha realizado modificaciones a su
balanza de Watt, con lo que se espera que
logre incertidumbres relativas menores a
2x10-8. Se está a la espera de los
resultados.
• Por otra parte, NIST sigue en su trabajo
para reducir aún más las incertidumbres
informadas.
• METAS y NPL esperan entregar nuevos
resultados durante este año.

27. Efectos en las mediciones diarias

28. Hay dos escenarios posibles:
• Redefinir el kilogramo tomando
en cuenta las recomendaciones
del Comité Consultivo para Masa
y Magnitudes Relacionadas
(CCM).
• Redefinir el kilogramo con los
resultados actuales.

29. Si se redefiniera el kilogramo con los
resultados actuales…
• Los Laboratorios de Masa de los
INM que declaran
incertidumbres relativas
menores a 1x10-8 verías
afectadas sus capacidades para
calibrar pesas clase E1.
• Por ende, los laboratorios de
calibración perderían su
acreditación para calibrar masas
E1.

30. Esto ha generado más de alguna discusión…
• CECIP, organización europea que
representa a los principales
fabricantes de instrumentos de
pesaje, emitió en 2012 una
declaración expresando su
“reserva” respecto a la
redefinición del kilogramo
CECIP Position on possible future revision of the International System
of Units-SI
CECIP, the European Weighing industry association,
- represents 700 European manufacturers of weighing instruments from 15 countries with
50000 employees plus 4000 - 5000 micro companies with additional 10000 employees,
with a turnover of more than 3 billion Euro, which is more than 50 % of the world trade
volume for weighing instruments;
- is a liaison organization of the International Organization of Legal Metrology (OIML), and
participates actively in several OIML Technical Committees and Subcommittees, amongst
them TC9/SC1 “Non-automatic weighing instruments”, TC9/SC2 “Automatic weighing
instruments” and TC9/SC3 “Weights”;
- appreciates the invitation of the General Conference on Weights and Measures (CGPM)
to comment on the "Possible future revision of the International System of Units, the SI"
as an important user community, based on Resolution 1 of the 24th CGPM in 2011.
CECIP wishes to provide some comments on the possible "New SI" for consideration by
the CGPM.
While a revision of the SI may be desirable from the point of view of fundamental physics,
CECIP does not see a need for a "new SI" at the moment from a practical point of view.
On the contrary, CECIP is deeply concerned that a premature redefinition of the existing
SI base units, especially that of the kilogram, could negatively affect practical mass
measurements, at least at the high-precision level.
The practical system of mass metrology, based on the International Prototype Kilogram
(IPK), is well established, worldwide accepted, and meets all demands of the user
community of weighing instruments and mass standards. The current definition has up to
now never suffered from any limitations due to a possible, never proven drift of the IPK. It
has quite successfully guaranteed up to now, that - all over the world - high-precision
mass standards and weights of accuracy classes E2, E1 and even better are calibrated
and used in the global market without any problems.
Can the CGPM or the CIPM guarantee that this high level of worldwide confidence and
agreement of calibrated mass standards be kept with a redefined kilogram? Is it
guaranteed that calibration certificates issued in different Member States will remain
consistent, as it is the case now? And is it guaranteed that a redefined kilogram will not
"jump" by more than 4·10
-8
which is the smallest relative measurement uncertainty
provided in calibration certificates issued by accredited mass laboratories at the moment?
CECIP is concerned that a very successful, broadly accepted, well-functioning, worldwide
metrology system, as the current SI is, might be jeopardized by an overhasty, premature
decision for a "new SI" that has neither a sound experimental basis nor practical
benefits. Considering the extremely large importance of weighing instruments and mass
standards used in trade and industry, and also in daily life, the possible practical
consequences and negative implications of a premature or even wrong decision could be
tremendous. Bearing in mind the risk that certain countries could even turn back to a
national metrology policy, if the SI and the international metrology system make negative
headlines, which might have political consequences.
MeP_2012/-06A

31. Sus justificaciones:
1. La posibilidad de reproducir la
constante de Planck no
permitiría asegurar la
concordancia entre
mediciones de masa
2. El aumento en las
incertidumbres afectará las
declaraciones de CMCs de los
laboratorios de calibración.
3. El sistema actual funciona bien
4. La definición del kilogramo
creará confusión en el público
general.

32. No obstante, si se considera lo indicado por el
CCM…
• Los valores en las declaraciones de
“Capacidad de Medición y
Calibración” (CMC) de los
Laboratorios de Masa de los
Institutos Nacionales de
Metrología de alto nivel se
incrementarán sólo en un factor 2.
• Pero ello no afectará las
capacidad para calibrar masas,
incluidas las de clase superior a
E1.
• Y no será posible percibir
cambios en las incertidumbres
que declaran los laboratorios de
calibración.

34. Conclusiones

35. Los proyectos deben seguir investigando
• La redefinición del kilogramo es
necesaria para asegurar la
invariabilidad de la unidad.
• La determinación de la
constante de Planck es de vital
importancia para una
redefinición óptima.
• Una redefinición apresurada
podría crear efectos en los
resultados de los laboratorios de
calibración.
• Sin embargo, si se toman en
cuenta las recomendaciones del
CCM, los cambios se producirán
sin repercusiones perceptibles
para la industria.

36. EVOLUCIÓN DE LA METROLOGÍA EN
MASA (CAMBIOS EN LA DEFINICIÓN
DEL KILOGRAMO)
Fernando García G.
Jefe Laboratorio Custodio de los Patrones Nacionales de Masa
CESMEC S.A.
CHILE