Medição é fundamental em ciência e engenharia.
Neste dia 20 de maio de 2019, “Dia Mundial da Metrologia”, entram em vigor novas definições de quatro
unidades de medição, massa (kg), corrente elétrica (ampère), temperatura (kelvin) e quantidade de
substância (mol). Deste modo o quilograma, o ampere, o kelvin e o mol, passam a ser definidos de
forma exata em termos de constantes naturais [IT].
Na 26ª General Conference of Weights and Measures, em Versailles (16 de novembro de 2018),
sessenta países votaram para redefini-las. O Sistema Internacional de Unidades (SI) foi criado em
1960, na 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) [BIPM]. O Brasil tornou-se membro do
BIPM – Bureau Intenacional de Pesos e Medidas, em 1921.
Pela primeira vez, todas as sete unidades de medida do SI serão definidas por fenômenos naturais
(constantes físicas) e não por artefatos físicos, como o cilindro de platina-irídio, mantido em Sèvres
(França) desde 1889.
Os cientistas sempre almejaram um sistema de medição mais preciso, que facilitasse as medições
no mundo todo, desde o século XVIII. Os avanços científicos na mecânica quântica, na eletrônica
de medição, muitos dos quais ocorreram nos institutos nacionais de metrologia (INM) em todo o
mundo, finalmente tornaram isso possível.
“Com a redefinição das unidades, teremos as medidas que a Metrologia sempre buscou: universais
(harmonizadas no mundo inteiro), justas (iguais para todos) e perenes (baseadas em constantes
fundamentais, imutáveis)” – Humberto Brandi (diretor de Metrologia Científica e Tecnologia do Inmetro) [INMETRO].
Os consumidores e a maioria das indústrias não notarão impactos imediatos, mas os cientistas
esperam que a mudança produza novas tecnologias e reduza o custo de calibrar os processos industriais e os instrumentos científicos. Haverá alguns efeitos perceptíveis, como medidas relacionadas com a gravidade, operação de satélites artificiais, experimentos de mecânica quântica, medições de caracterização física e química de nanomateriais e síntese de moléculas para fármacos
[NIST], [IT].
Tempo e Comprimento (ou Distância) já estavam resolvidos em termos de constantes físicas
Os fenômenos quânticos idênticos em todos os lugares já são usados para definir o segundo, que é
a unidade do SI para o tempo, e o metro, a unidade do SI para a distância. Segundo é a unidade de
medida de tempo, definido como “a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133” e o metro é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299 792 458 de um segundo.
Essas definições revisadas, implementadas em 1967 e 1983, respectivamente, foram necessárias para a invenção do GPS e de muitas outras tecnologias modernas [IT] [WP].
Agora quatro outras constantes vão passar a servir como referencial para outras unidades de medida: a constante de Planck (h), a constante de Avogadro (NA), a constante de Boltzmann (k) e a carga
do elétron (e).
Depois de medições realizadas em alguns dos mais influentes institutos de metrologia do mundo -incluindo o PTB (Alemanha), NIST (EUA), NMIJ (Japão), CSIRO (Austrália) e NRC (Canadá) – terem conseguido diminuir as incertezas das medições em experimentos totalmente independentes uns dos outros, foi atingindo um nível de precisão adequado para os valores atribuídos a essas constantes fundamentais.
c: Velocidade da luz no vácuo
A velocidade limite no universo é a velocidade da luz no vácuo. Nada no cosmos – matéria, informação ou energia – pode ir mais rápido.c é igual a 299 792 458 metros por segudo.
No SI revisado, c ajuda a definir o metro, o quilograma e o kelvin.
h: Constante de Planck (Max Planck)
A constante de Planck é uma das mais fundamentais constantes da mecânica quântica.
Um dos usos dessa constante é a determinação da energia de um fóton, dada pela seguinte equação [WP]:
Nesta equação, proposta em 1900 por Max Planck:
é a energia do fóton, também conhecida como quantum de energia; é a constante de Planck; é a frequência da radiação.
A mecânica quântica afirma que a energia é emitida e absorvda em quantidades determinadas, específicas chamadas “quanta”, que podem ser entendidas como pacotes de energia trocada pela matéria.
No SI revisado, a constante de Planck é exatamente igual a 6,626 070 15 × 10-34Joule segundo.
Este valor foi obtido em 2017.
A constante de Planck ajuda a definir o quilograma, o kelvin e a candela.
e: Carga elementar
e é a quantidade de carga em um elétron. Está na base do eletromagnetismo, uma das quatro forças da natureza.
No SI revisado vale exatamente 1,602176634 × 10
-19 coulombs e ajuda a definir o ampère.
∆νCs: A frequência de transição hiperfina do Césio 133
Césio é um átomo metálico na tabela periódica.
Césio 133 é seu isótopo mais estável, sua massa atômica aproximada é 133 u.m.a., é um dos cinco
metais elementares que se podem encontrar em estado líquido a temperatura ambiente. [WP]
Como todo átomo o Césio tem uma elestrosfera, e seu elétron mais externo está em 6s1.
A energia do seu elétron mais externo pode ser controlada com radiação de microondas.
A frequência da radiaçãode microondas que causa uma transição entre dois estados de energia
muito próximos deste elétron externo é conhecida como frequência de transição hiperfina.
Esta frequência ∆νCs é igual a 9 192 631 770 hertz, conhecida com grande precisão.
No SI revisado ∆νCs ajuda a definir o segundo, o metro o quilograma e o ampère.
k: A constante de Boltzmann (Ludwig Eduard Boltzmann)
A constante de Boltzmann relaciona a energia de um objeto com sua temperatura.
No SI revisado k é igual a 1,380649 × 10-23joules/kelvin.
k ajuda a definir o kelvin.
NA: A constante de Avogadro (Amedeo Avogadro)
A constante de Avogadro define o número de partículas num mol, a unidade SI que expressa a
quantidade de substância. O número de Avogadro de moléculas de água é um mol de moléculas de água.
No SI revisado NA é igual a 6,02214076 x 1023 particles per mole, e ajuda a definir o mol.
Kcd: Constante de eficácia luminosa
Definida como o valor numérico fixo da eficácia luminosa da radiação monocromática luminosa de frequência
540 x1012Hz, Kcd, como exatamente 683 quando expressa na em unidade de lm.W-1,que é igual a cd.sr.W-1, ou cd.sr.kg-1.m-2.s3, onde o quilograma, metro e o segundo são definidos emtermos de h, c e ∆νCs. A frequência 540 x 1012Hz é um tom de verde. Esta é a única unidade do SI cuja magnitude tem escala humana, perceptível por humanos. Seu nome veio do latim (vela), e é uma referência para intensidade da luz, medida em candela (cd).
Definição das grandezas do SI [NIST] [BIPM]
Comprimento (Distância) – Metro
Metro é definido como a distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299.792.458 de um segundo.
Tempo – Segundo
Segundo é a unidade de medida de tempo, definido como “a duração de 9 192 631 770 períodos
da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do
átomo de césio-133”.
Massa – Quiilograma
O quilograma é definido estabelecendo-se a constante de Planck (h) exatamente em 6,62607015 ×10-34
J·s (J = kg·m2·s-2), dadas as definições do metro e do segundo.será definido nos termos da
constante de Planck, assegurando estabilidade de longo prazo à unidade de massa do SI (a definição deixará de ser baseada no protótipo de platina-irídio).
Corrente Elétrica – Ampère
O fluxo de 1/1,602176634 × 10-19 vezes a carga do elétron por segundo. O ampère será definido a partir da carga do elétron e sua redefinição não afetará a grande maioria dos usuários de medições. O volt e o ohm serão definidos a partir da carga do elétron e da constante de Planck; o voltvai mudar cerca de 0,1 parte por milhão e o ohm mudará ainda menos.
Temperatura Termodinâmica – Kelvin
O kelvin é definido estabelecendo-se o valor numérico fixo da constante de Boltzmann (k) em 1,380649 × 10-23
J·K-1, (J = kg·m2·s-2), dadas as definições do quilograma, do metro e do segundo.
Sua redefinição será nos termos da constante de Boltzmann e não terá efeito imediato na medição
prática de temperatura ou na rastreabilidade dessas medições e, para a maioria dos usuários, passará despercebida. A redefinição assenta as bases para futuros aprimoramentos na medição.
Quantidade de Substância (Quantidade de Matéria) – Mol
Mol é a quantidade de substância de exatamente 6,02214076 × 10
23 entidades elementares. Este número é o valor numérico fixo da constante de Avogadro (NA) quando expressa na unidade mol-1 e é chamado de número de Avogadro. Os pesos atômicos não serão afetados pela mudança. Será redefinido respeitando uma quantidade específica de entidades (tipicamente átomos ou moléculas) e não estará mais ligado ao quiilograma. A rastreabilidade continuará podendo ser estabelecida por meio das técnicas já existentes, incluindo o uso de medição de massa juntamente com tabelas de pesos atômicos e a constante de massa molar (número de Avogadro). A variação na incerteza será tão pequena que não vai requerer nenhuma mudança nas medições.
Intensidade Luminosa – Candela
A candela é a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência 540 × 1012 Hertz e cuja intensidade energética nessa direcção é 1/683 watt por esterradiano.
Definida como o valor numérico fixo da eficácia luminosa da radiação monocromática luminosa de
frequência 540 x 1012Hz, Kcd, como exatamente 683 quando expressa na em unidade de lm.W-1,que é igual a cd.sr.W-1, ou cd.sr.kg-1.m-2.s3.
A frequência 540 x 1012Hz é um tom de verde. Esta é a única unidade do SI cuja magnitude tem escala humana, perceptível por humanos. Seu nome veio do latim (vela), e é uma referência para intensidade da luz.
Com as novas definições não há sequer necessidade de estabelecer a distinção entre grandezas
fundamentais e derivadas. Estudar a relação entre as constantes e as grandezas fundamentais do SI
é outro escrito. Se esta foi sua primeira leitura sobre as grandezas fundamentais do SI, seja bem vindo ao mundo da Metrologia Científica, atualizado em 2019!
Audrey R. Moreira (física)
REFERÊNCIAS
[BIPM] – Bureau International des Poids et Mesures. www.bipm.org acessado em 18/05/2019.
[CSIRO] – Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation. https://www.csiro.au/.
acessado em 18/05/2019.
[Inmetro] – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia. www.inmetro.gov.br/ acessado em 18/05/2019.
[IT] – Inovação Tecnológica, https://www.inovacaotecnologica.com.br/ acessado em 18/05/2019.
[NIST] – National Institute of Standards and Technology. www.nist.gov, acessado em 18/05/2019.
[WP] – WIKIPEDIA, https://en.wikipedia.org, acessado em 18/05/2019.