F. Saraiva | DMET | 2013-11-27

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Do livro: “Haja Luz uma história da química através de tudo” Jorge Calado

Antoine Lavoisier e a sua Mulher por Jacques-Louis David, 1788

Academia de Ciências de Paris Comissão de Pesos e Medidas

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Propor um padrão universal como unidade básica de medida

Adotar a divisão decimal

Criar um sistema de medidas coerente

Academia de Ciências Estudar um sistema uniforme de pesos e medidas

1790

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Metro é “igual à décima milionésima parte de um arco dum meridiano terrestre”

- distância entre topos de uma barra de secção retangular de platina forjada.

“Mètre des Archives”

30 de março de 1791

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1790

Um filme de Axel Engstfeld

Disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=y77kLA1eC0M http://www.youtube.com/watch?v=Q2-xUqM6i70

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- Novos padrões de pesos e medidas baseados no mètre des archives

Reforma métrica de D. João VI

1814

1852 a 1868 Lei de D. Maria II – adoção do sistema métrico decimal

Academia Real das Ciências (Portugal)

Vitrine com a “vara = mètre des archives” e a “mão-travessa= 1/10 do mètre des archives” - Museu de Metrologia do IPQ

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Joaquim Henriques Fradesso da Silveira (Lisboa, 14 de abril de 1825 - 26 de abril de 1875)

Museu de Metrologia do IPQ

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“Convention du Mètre”

20 de maio de 1875

Alemanha

Argentina

Áustria-Hungria

Bélgica

Brasil

Dinamarca

Espanha

Estados Unidos da América

França

Itália

Perú

Portugal

Rússia

Suécia e Noruega

Suíça

Turquia

Venezuela

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A unidade de comprimento é o metro, definido pela “distância, a 0º, dos eixos de dois traços médios marcados na barra de platina iridiada depositada no BIPM, e declarada Protótipo do metro”

Régua de secção em X: Metro internacional de 1889 ou, protótipo internacional M

1ª CGPM:1889

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O metro “é o comprimento igual a 1 650 763,73 comprimentos de onda no vácuo da radiação correspondente à transição entre os níveis 2p10 e 5d5, do átomo de crípton 86.”

1960

11ª CGPM Resolução 6

(2p10 ,5d5) = 0,60578021 nm (NIST Museum)

Alcance de Medição Limitado:

(~ 250 mm comprimento máximo acessível)

Baixo Contraste:

(Técnicos têm de trabalhar na escuridão)

Dificuldade de utilização: (Vazio, nitrogénio líquido)

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O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz, no vazio, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 do segundo.

17ª CGPM Resolução 1 - 17 a 21 de outubro de 1983

15ª CGPM Resolução 2 - 1975 c0 = 299 792 458 m/s

Metrologia, 1984, 20(1), 25

1983

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s299792458

1m/s299792458percorridotrajeto

distância = velocidade × tempo

(s)458792299

1m/s0 cvazionoluzpelapercorridotrajeto

m1 vazionoluzpelapercorridotrajeto

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Como se efetua a realização prática?

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1) medindo-se o tempo de voo de um

impulso de luz;

2) através de um comprimento de onda ou

frequência de uma radiação

eletromagnética utilizando-se técnicas

interferométricas; (nas quais a utilização

de uma fonte de luz conhecida (laser), com

um comprimento de onda estável permite

a medição de comprimentos com grande

exatidão).

Raios gama

Raios x

Micro-ondas

Ondas de rádio

Luz visível

400 nm

700 nm

O metro pode ser realizado:

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Em física, uma onda é uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo. A oscilação espacial é caracterizada pelo comprimento de onda e a periodicidade no tempo é medida pela frequência da onda

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O comprimento de onda, , é a distância entre picos sucessivos da onda

E caracteriza cada tipo de radiação.

O comprimento de onda da luz visível varia entre 400 nm (azul) a 700 nm (vermelho).

~0,63 m

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Universal

Estável ao longo do tempo

Uniforme

Possuir exatidão máxima

Seguir a evolução científica

Ser reprodutível

A realização prática da definição de uma unidade de medida é efetuada com um padrão primário:

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Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation

Tubo He-Ne

feixe

Laser não estabilizado

Espelho (100 % refletor)

Espelho semi-refletor (2 % transmissor)

Feixe de saída

Δf ≈ 450 MHz

Δ ≈ 0,5 pm

Cavidade de ressonância

(Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação)

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Incoerente

Policromática

λ

Laser não estabilizado

Coerente

Monocromática

Laser estabilizado

Intensidade

(I )

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Tubo He-Ne

feixe Feixe de saída

Δf ≈ 450 MHz

Δ ≈ 0,5 pm

Célula de iodo

Controlo da temperatura da célula

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Emitem uma largura espectral pequena, inferior a 1 MHz (luz coerente)

Permitem estabilização com células de iodo (pequenas oscilações na estrutura do laser conduzem a variações do comprimento de onda emitido, a absorção saturada permite a estabilização do comprimento de onda emitido)

São facilmente transportáveis

LASER

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Realização prática do metro

BIPM.L-K10 Laser IPQ2

BIPM.L-K11 Laser IPQ2

BIPM.L-K11 Laser IPQ3

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Prémio Nobel da Física em 2005

Roy Glauber descrição teórica da física quântica aplicada à ótica

John Hall Theodor Hänsch

pesquisa e desenvolvimento na área de espectroscopia laser com a técnica de geração de pentes de frequências de femtosegundo e sintetização de frequências óticas

• Laser Femtosegundo

• Fibra ótica não linear micro-estruturada (cristais fotónicos)

• Interferómetro não linear

Sintetizador de Frequências óticas

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100 % refletor Semi-refletor

Ti:Safira

Trem de impulsos de femtosegundo

Fibra não linear

Tubos de ar

Cilindro de sílica

Fibra convencional

Núcleo

Bainha

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2( fn ) – f2n = 2( n frep + fo) – ( 2 n frep + fo ) = fo

Domínio tempo/ Domínio frequência

Trasformada de Fourier

2

26

frep

f0

(x 2)

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f0 f(laser a calibrar) frep

Laser a calibrar (IPQ2)

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Ano Padrão Incerteza relativa

1983 --------- 10-8

1989 IPQ1: ≈ 633 nm 127I2 R(127) 11-5

10-11

1991

IPQ2: ≈ 633 nm 127I2 R(127) 11-5

f(f)= 473 612 353 604 kHz

2006

SFO- Sintetizador de Frequências Óticas

10-13

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Distância (Lisboa – Nova Iorque)

5 500 000 m

Padrão exatidão

Protótipo internacional “M” 1 m

Laser He-Ne 1 mm

SFO 1 µm

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Ano Serviço prestado clientes

1996 Calibração em comprimento de onda (c.d.o.)

Padrões secundários do IPQ;

Laboratórios acreditados;

Indústria

1997

+ avaliação da estabilidade dos lasers interferométricos

2006 + comparação da indicação de distância de lasers interferométricos até 3 m.

2010 + calibração em c.d.o. com o SFO + calibração da óptica angular dos interferómetros laser

2013 + comparação da indicação de distância de lasers interferométricos até 10 m.

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Como, a partir da definição e realização prática se medem distâncias?

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Ondas em fase

Diferença de fase

Ondas em oposição de fase

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Feixe de referência

Feixe transmitido

Os dois feixes interferem e o padrão de interferencia depende da fase.

Laser estabilizado

Espelhos 100 % refletores

Medição de distância através da medição da diferença de fase.

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Feixe de referência

Feixe transmitido

Laser estabilizado

Medição de distância por contagem de franjas.

Distância percorrida

D = n x /2

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Como é levada a cabo a disseminação da unidade de comprimento em Portugal?

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Padrão secundário Interferómetro

Padrão de transferência Bloco padrão de classe K

Padrão de trabalho Bloco padrão de classe 1

Lab

ora

tóri

o d

e C

om

pri

men

to

Paquímetro, Comparadores, Micrómetros

K

1

Laser estabilizado (IPQ3)

Padrão primário Sintetizador de Frequências Óticas (SFO)

37

38

24 0,70 24,70 mm

Bloco-padrão

39

11th General Conference on Weights and Measures (1960)

http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/appendix2/ http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/

Importância do Sistema Internacional de Unidades o Garantia de coerência ao longo dos anos o Clareza de conhecimentos internacionais, técnicos e científicos o Clareza nas transações comerciais o Coerência entre unidades, onde cada grandeza tem apenas uma unidade

www.bipm.org

Sistema Internacional de Unidades

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grandeza de base

símbolo grandeza

unidade de base

símbolo da unidade

comprimento l , x metro m

massa m kilograma kg

tempo t segundo s

corrente elétrica I ampere A

temperatura termodinâmica T kelvin K

intensidade luminosa Iv candela cd

quantidade de matéria n mole mol

Sistema Internacional de Unidades

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Redefinição das unidades SI todas as unidades de bases deverão ser definidas em função

de constantes físicas todas as definições deverão declarar explicitamente a constante

física

24ª CGPM Resolução 1 - 17 a 21 Outubro de 2011

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O metro, símbolo m, é a unidade de comprimento; a sua amplitude é obtida pela

fixação do valor numérico da velocidade da luz, no vazio, exatamente igual a 299 792 458, quando

expressa na unidade m/s. (tradução livre)

Muito obrigada

fsaraiva@ipq.pt www.ipq.pt