SI põhiühikute tutvustus: sekund ja mool10.06.2019

16. novembril 2018 Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Peakonverentsil toimunud uue rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI hääletuse järgselt avaldab metroloogiakogukond iga põhiühiku kohta lühikirjelduse. SI uued definitsioonid jõustusid 20. mail 2019, rahvusvahelisel metroloogiapäeval. Käesoleva teksti kokkupanekul on kasutatud EURAMET’i poolt levitatavat ja vabalt kasutatavat teemakohast materjali, mille koostamisel on vabatahtlikkuse alusel osalenud metroloogiainstituutide töötajad erinevatest riikidest ning mille eesmärgiks on avalikkuses tutvustada SI põhiühikuid, nende definitsioone ja uute definitsioonidega kaasnevaid võimalikke muudatusi. AS Metrosert Eesti metroloogia keskasutusena edastab materjali teile, head lugejad.

Varasemalt avaldatud artiklites oleme SI põhiühikutest tutvustanud pikkuse mõõtühikut, meetrit, valgustugevuse mõõtühikut, kandelat, elektrilise voolutugevuse mõõtühikut, amprit, ja temperatuuri mõõtühikut, kelvinit. Alljärgnevalt tulevad tutvustamisele ajavahemiku mõõtühik, sekund, ja ainehulga mõõtühik, mool.

Sekund

Iga-aastaselt keeratakse märtsi lõpus kella ja minnakse üle nn suveajale. Ehkki nutikad asjad muudavad oma ajanäitu iseseisvalt (on tulnud ette, et mõnel brändil ka aeg-ajalt mitte) tuleb ikka kindluse mõttes üle küsida “Mis kell on?”.

Inimkond on tuhandete aastate jooksul püüdnud aega mõõta. Väga pikka aega näitasid inimestele aja kulgu looduslikud nähtused, näiteks päeva ja öö vaheldumine, aastaaegade vaheldumine. Esimeseks tsivilisatsiooniks, kes kasutasid aja mõõtmiseks astronoomilisi vaatlusi, olid vanad egiptlased, kes püstitades päikesekellasid ja jälgides nende samba varju kulgu maapinnal, jagasid päeva osadeks. Aja mõõtmine oli tähtis ja päikesekella abil osutus see niivõrd levinuks, et valmistati ka kaasaskantavaid päikesekellasid ning isegi taskuversioone.

Vana-Rooma kaasaskantav päikesekell

Arvatakse, et päeva ja öö jagamine kaheteistkümneks osaks on pärit sumeritelt umbes 5000 aastat tagasi. Vanad sumerid ei kasutanud loendamiseks mitte kümmet sõrme, vaid sõrmede liigeseid, mida on kokku ühel käel 12 (kui pöialt mitte arvestada). Ööpäeva jagasid 24-ks võrdseks tunniks ilmselt babüloonlased, nagu ka tunni kuuekümneks minutiks.

Mehaaniliste kelladega tuli oodata 13.-14. sajandini, mil Euroopas hakati valmistama kellamehhanisme üleskeeratava vedru ja/või kellapommiga. Arendused viisid selleni, et briti raudteeinseneri, William Hamilton Shortti poolt 1920ndatel väljatöötatud pendelkell võeti nii mõneski metroloogiaasutuses kasutusele riigietalonina sekundi esitamiseks.

Elektrooniliste ajanäitajate võidukäik algas kvartskristalli kasutusele võtmisega 1930ndatel aastatel. Kuni Suurbritannia metroloogiainstituudis ehk rahvuslikus füüsikalaboratooriumis (The National Physical Laboratory, NPL) valmis Louis Essen’i juhtimisel 1955. aastal maailma esimene töötav tseesiumi aatomkell, millega sillutati tee uuele ja täpsemale sekundi definitsioonile, mis põhines aatomite põhiomadustel. Tänapäeval kasutatakse mitut tüüpi aatomkellasid, mis töötavad mitmesugustel põhimõtetel ja erinevatel raadiosagedustel kiirgusega ergastamisel. Kasutatavate aatomkellade täpsus ulatub võimaliku hälbeni 1 sekund 300 miljoni aasta jooksul.

Ülemaailmselt kasutatava ajaskaala moodustamisel on kaks põhikomponenti: rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) ajaühiku – sekundi – esitamine ning ajaskaala regulaarne võrdlemine tugisuurusega. Tugisuurusena kasutatakse tänapäeval Rahvusvahelist Aatomaega (International Atomic Time, TAI), mille arvutab välja Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Büroo (BIPM) aja osakond. TAI arvutustes kasutatakse üle 230 nn tseesiumi (Cs) aatomkella andmeid, mida regulaarselt saadavad BIPM’ile 65 asutuse laborid.

Kuni 20. maini 2019 kehtinud sekundi definitsioon:

sekund on võrdne 133 Cs aatomi põhiseisundi kahe ülipeen(struktuuri)-nivoo vahelisele üleminekule vastava kiirguse 9 192 631 770 perioodi kestusega.

Alates 20. maist 2019 kehtib uus sekundi definitsioon:

sekund, tähis s, on SI aja ühik. Sekund on määratud tseesiumi sageduse Δν_Cs, milleks on tseesiumi aatomi isotoobi 133 häirimata põhiseisundi ülipeenstruktuuri kahe energianivoo vahelisele üleminekule vastav sagedus, fikseerimisega arvväärtusel 9192631770 väljendatuna ühiku Hz abil, mis on võrdne s^-1.

Milles siis erinevus? Tehnilises mõttes erinevust ei ole, uus sekundi määratluse sõnastus on vajalik kooskõla tagamiseks kõikide teiste SI põhiühikute sõnastusega.

Kas teadsid, et …?

Mool

Arvus 602 214 076 000 000 000 000 000 ehk ligikaudu 602 214 miljonis triljonis on kakskümmend neli numbrit. Sellegipoolest, kuitahes hoomamatuna see arv meile ka ei näi, loendame triljoneid iga päev oma argitegemistes. Näiteks, tavalises õhupallis on umbes 50 miljonit triljonit õhu molekuli (s.o umbes 39 miljonit triljonit lämmastiku molekuli, 10 miljonit triljonit hapniku molekuli ja pool miljonit triljonit argooni aatomit). Tavalises valuvaigisti tabletis on ligikaudu 1,7 miljonit triljonit toimeaine – näiteks atsetüülsalitsüülhappe – molekuli. Ühes liitris mineraalvees võib leida umbes 1 miljon triljonit naatriumi aatomit. Nagu näha, ilmnevad suured arvud, kui vaadata asju lähemalt. Füüsikas ja keemias tuleb sagedasti ette asjade ja nähtuste lähemat vaatlemist ja see viib paratamatult suurte aatomite ja molekulide arvudeni, mis vajavad mingit ülevaatlikumat ja lühemat väljendusviisi. Ja selliseks väljenduseks on valitud ainehulga ühik, mool.

Mooli kasutades saab osakeste arvu väljendada suupärasemalt. Selle asemel, et öelda: “Õhupallis on umbes 10 miljonit triljonit hapniku molekuli”, saame lausuda, et õhupallis on umbes 0,02 mooli hapnikku.

Teisendustegur osakeste arvu ja ainehulga vahel on nn Avogardo arv N_A. See arv ütleb, et ühes moolis on 602 214 076 000 000 000 000 000 ehk 6,02214076×10²³ osakest. Loomulikult ei huvita meid tavaliselt hapniku täpne sisaldus õhupallis, kuid nii medikamentide ja toiduainetetööstuses, kui ka paljudel teistel elualadel, on väga oluline teada, kui palju midagi on millegi sees. Näiteks farmaatsias ja analüütilises keemias kasutatakse pidevalt mõisteid ainehulk ja molaarkoostised, sest palju lihtsam on arvutada väärtustega nagu 0,01 mooli liitri kohta selmet öelda 6 022 140 760 000 000 000 osakest liitri kohta.

Enne kui 20. sajandi alul hakati käsitlema ainehulka füüsikalise suurusena, mille ühikuks on mool, kasutati selliseid termineid nagu „gramm-aatom” ja „gramm-molekul” kirjeldamaks keemiliste elementide või ühendite hulka koos arvväärtusega. Sellisel juhul viidati suhtelistele aatom- või molekulkaaludele. Algselt oli tugiväärtuseks hapniku aatommass, mis üldiselt loeti võrdseks arvuga 16. Mõne aja pärast, 1971. aastal, otsustati ainehulk siduda süsiniku aatommassiga:
mool on süsteemi ainehulk, mis sisaldab sama palju elementaarseid koostisosakesi, nagu on aatomeid 0,012 kilogrammis ¹²C.
Mooli kasutamisel peab täpsustama koostisosakeste tüüpi, milleks võivad olla aatomid, molekulid, ioonid, elektronid, mingid teised osakesed või eespool nimetatud osakeste kindlalt määratletud grupid.

Alates 20. maist 2019 on uueks mooli definitsiooniks järgmine sõnastus:
Mool, tähis mol, on SI ainehulga ühik. Üks mool sisaldab täpselt 6,02214076×10²³ elementaarset koostisosakest. See arv on Avogadro konstandi N_A fikseeritud arvväärtus väljendatuna ühiku mol^–1 abil ja nimetatakse Avogadro arvuks.
Ainehulk, tähis n, on teatud koostisosakeste arvu mõõt süsteemis. Koostisosakesteks võivad olla aatomid, molekulid, ioonid, elektronid, mingid teised osakesed või eespool nimetatud osakeste kindlalt määratletud grupid.

Mida taoline muudatus võiks ainehulga mõõtühikule, moolile, tähendada? Ehkki esimesel pilgul tunduvad kaks mooli sõnastust täiesti erinevad, siis tegelikult on vastus – ei midagi. Nagu teistegi põhiühikute puhul on alates 20. maist 2019 definitsiooni aluseks fundamentaalkonstant. Ainehulga ja tema ühiku, mooli jaoks on selleks konstandiks Avogadro arv. Enamgi veel, kuigi eelmises definitsioonis polnud seda otseselt mainitud, oli see küllaltki lähedal uuele definitsioonile. Seda seepärast, et Avogadro arv vastab osakeste arvule, mis sisaldub süsiniku isotoobi ¹²C 12 grammis.

Samal teemal:
SI uued definitsioonid
Rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI muudatused kiideti heaks
SI põhiühikute tutvustus: meeter ja kandela
SI põhiühikute tutvustus: amper ja kelvin
Rahvusvaheline metroloogiapäev 2019 „Rahvusvaheline mõõtühikute süsteem – fundamentaalselt parem“
Poster „Rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) põhiühikud”

AS Metrosert