Pituus- ja etäisyysmuunnin Massamuunnin Bulkkituotteiden ja elintarvikkeiden tilavuusmittausten muunnin Pinta-alamuunnin Kulinaaristen reseptien tilavuuden ja mittayksiköiden muuntaja Lämpötilamuunnin Paineen, mekaanisen rasituksen, Youngin moduulin muunnin Energian ja työn muuntaja Tehon muunnin Voiman muunnin Ajanmuunnin Lineaarinen nopeusmuunnin Tasakulmamuunnin lämpöhyötysuhteen ja polttoainetehokkuuden muuntaja Eri numerojärjestelmien lukujen muuntaja Tiedon määrän mittayksiköiden muuntaja Valuuttakurssit Naisten vaatteet ja kenkäkoot Miesten vaatteet ja kenkäkoot Kulmanopeus- ja pyörimistaajuusmuuttaja Kiihtyvyysmuunnin Kulmakiihtyvyysmuunnin Tiheysmuunnin Ominaistilavuuden muunnin Hitausmomenttimuunnin Voiman momenttimuunnin Momentinmuunnin Ominaislämpö muunnin (massan mukaan) Muuntimen energiatiheys ja ominaislämpö (tilavuuden mukaan) Lämpölaajenemismuuntimen kerroin Lämpövastusmuunnin Lämmönjohtavuusmuunnin Ominaislämpökapasiteetin muunnin Energiaaltistuksen ja lämpösäteilyn tehomuunnin Lämpövuon tiheysmuunnin Lämmönsiirtokertoimen muunnin Tilavuusvirtamuunnin Massavirtauksen muunnin Molaarivirtauksen muuntaja Massavirtauksen tiheyden muunnin Molaarikonsentraatiomuunnin Liuoksen massakonsentraatio Dynaaminen (absoluuttinen) viskositeettimuunnin Kinemaattinen viskositeettimuunnin Pintajännitysmuunnin Höyrynläpäisevyyden muunnin Höyrynläpäisevyyden ja höyrynsiirtonopeuden muunnin Äänitasomuunnin Mikrofonin herkkyysmuunnin Äänenpainetason (SPL) muunnin Äänenpainetason muunnin valittavissa olevalla vertailupaineen luminanssin muuntimella Valonvoimakkuuden muunnin Valonvoimakkuuden resoluutiomuunnin I Taajuus- ja aallonpituusmuunnin Diopteriteho ja polttopituus Diopteriteho ja linssin suurennus (×) Sähkövarausmuunnin Lineaarinen varaustiheysmuunnin Pintavaraustiheyden muunnin Tilavuusvaraustiheyden muunnin Sähkövirtamuunnin Lineaarisen virrantiheyden muuntaja Pintavirrantiheysmuunnin Sähkökentänvoimakkuuden muunnin Sähköstaattinen potentiaali ja jännitteenmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkönjohtavuusmuunnin Sähkönjohtavuuden muuntaja Sähkökapasitanssi Induktanssimuunnin Amerikkalainen lankamittarin muunnin Tasot dBm (dBm tai dBm), dBV (dBV), watteina jne. yksiköt Magnetomotorinen voimamuunnin Magneettikentän voimakkuusmuunnin Magneettivuon muunnin Magneettiinduktiomuunnin Säteily. Ionisoivan säteilyn absorboitunut annosnopeusmuunnin Radioaktiivisuus. Radioaktiivinen hajoamismuunnin Säteily. Altistuksen annoksen muuntaja Säteily. Absorboitunut annosmuunnin Desimaalietuliitemuunnin Tiedonsiirto Typografia- ja kuvankäsittelyyksikkömuunnin Puun tilavuusyksikkömuunnin Moolimassan laskenta Kemiallisten alkuaineiden jaksollinen taulukko, D. I. Mendeleev

1 kilo [k] = 1E-06 giga [G]

Alkuarvo

Muunnettu arvo

ilman etuliitettä yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli mikro nano pico femto atto zepto yocto

Metrijärjestelmä ja kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI)

Johdanto

Tässä artikkelissa puhumme metrijärjestelmästä ja sen historiasta. Näemme, miten ja miksi se alkoi ja kuinka se vähitellen kehittyi sellaiseksi, mitä meillä on tänään. Tarkastellaan myös SI-järjestelmää, joka on kehitetty metrisestä mittajärjestelmästä.

Esivanhemmillemme, jotka elivät maailmassa, joka on täynnä vaaroja, kyky mitata erilaisia ​​määriä luonnollisessa elinympäristössään mahdollisti sen, että he pääsivät lähemmäksi luonnonilmiöiden olemuksen ymmärtämistä, ymmärrystä ympäristöstään ja kykyä jotenkin vaikuttaa ympäröivään. . Siksi ihmiset yrittivät keksiä ja parantaa erilaisia ​​mittausjärjestelmiä. Inhimillisen kehityksen kynnyksellä mittausjärjestelmä oli yhtä tärkeä kuin nykyään. Oli tarpeen suorittaa erilaisia ​​​​mittauksia, kun asuntorakentaminen, erikokoisten vaatteiden ompelu, ruoanlaitto ja tietysti kauppa ja vaihto eivät selvinneet ilman mittaamista! Monet uskovat, että kansainvälisen SI-yksikköjärjestelmän luominen ja käyttöönotto on paitsi tieteen ja teknologian, myös inhimillisen kehityksen vakavin saavutus.

Varhaiset mittausjärjestelmät

Varhaisissa mittaus- ja numerojärjestelmissä ihmiset käyttivät mittaamiseen ja vertailuun perinteisiä esineitä. Esimerkiksi uskotaan, että desimaalijärjestelmä ilmestyi, koska meillä on kymmenen sormea ​​ja varpaita. Kätemme ovat aina kanssamme - siksi ihmiset ovat muinaisista ajoista lähtien käyttäneet (ja käyttävät edelleen) sormia laskemiseen. Emme kuitenkaan ole aina käyttäneet laskentaan perus 10-järjestelmää, ja metrijärjestelmä on suhteellisen uusi keksintö. Jokainen alue kehitti omat yksikköjärjestelmänsä ja vaikka näillä järjestelmillä on paljon yhteistä, useimmat järjestelmät ovat silti niin erilaisia, että mittayksiköiden muuntaminen järjestelmästä toiseen on aina ollut ongelma. Tämä ongelma tuli yhä vakavammaksi eri kansojen välisen kaupan kehittyessä.

Ensimmäisten paino- ja mittajärjestelmien tarkkuus riippui suoraan niiden esineiden koosta, jotka ympäröivät näitä järjestelmiä kehittäviä ihmisiä. On selvää, että mittaukset olivat epätarkkoja, koska "mittauslaitteilla" ei ollut tarkkoja mittoja. Esimerkiksi kehon osia käytettiin yleisesti pituuden mittana; massa ja tilavuus mitattiin käyttämällä siementen ja muiden pienten esineiden tilavuutta ja massaa, joiden mitat olivat suunnilleen samat. Alla tarkastelemme lähemmin tällaisia ​​yksiköitä.

Pituus mitat

Muinaisessa Egyptissä pituus mitattiin ensin yksinkertaisesti kyynärpäät, ja myöhemmin kuninkaallisilla kyynärpäillä. Kyynärpään pituus määritettiin etäisyydeksi kyynärpään mutkasta ojennetun keskisormen päähän. Siten kuninkaallinen kyynärä määriteltiin hallitsevan faaraon kyynäräksi. Mallikyynärä luotiin ja asetettiin yleisön saataville, jotta jokainen voisi tehdä omat pituusmittansa. Tämä oli tietysti mielivaltainen yksikkö, joka muuttui, kun uusi hallitseva henkilö nousi valtaistuimelle. Muinainen Babylon käytti samanlaista järjestelmää, mutta pienillä eroilla.

Kyynärpää jaettiin pienempiin yksiköihin: kämmenelle, käsi, zerets(ft) ja sinä(sormi), joita edustivat vastaavasti kämmenen, käden (peukalon kanssa), jalan ja sormen leveydet. Samalla he päättivät sopia kuinka monta sormea ​​oli kämmenessä (4), kädessä (5) ja kyynärpäässä (28 Egyptissä ja 30 Babylonissa). Se oli kätevämpää ja tarkempaa kuin mittaussuhteiden joka kerta.

Massan ja painon mitat

Painomittaukset perustuivat myös eri esineiden parametreihin. Siemeniä, jyviä, papuja ja vastaavia käytettiin painomittareina. Klassinen esimerkki nykyäänkin käytetystä massayksiköstä on karaatti. Nykyään jalokivien ja helmien paino mitataan karaateissa, ja kerran johanneksenleipäpuun siementen, muuten johanneksenleipäpuun, paino määritettiin karaatteina. Puu on viljelty Välimerellä, ja sen siemenet erottuvat vakiomassastaan, joten niitä oli kätevä käyttää painon ja massan mittana. Eri paikoissa käytettiin erilaisia ​​siemeniä pieninä painoyksiköinä, ja suuremmat yksiköt olivat yleensä pienempien yksiköiden kerrannaisia. Arkeologit löytävät usein samanlaisia ​​suuria painoja, jotka on yleensä valmistettu kivestä. Ne koostuivat 60, 100 ja muista pienistä yksiköistä. Koska pienten asuntojen lukumäärälle ja painolle ei ollut yhtenäistä standardia, tämä johti ristiriitoihin, kun eri paikoissa asuvat myyjät ja ostajat kohtasivat.

Volyymimitat

Aluksi tilavuutta mitattiin myös pienillä esineillä. Esimerkiksi ruukun tai kannun tilavuus määritettiin täyttämällä se yläosaan pienillä esineillä suhteessa standarditilavuuteen - kuten siemenillä. Standardoinnin puute johti kuitenkin samoihin ongelmiin tilavuuden mittaamisessa kuin massan mittauksessa.

Erilaisten mittajärjestelmien kehitys

Antiikin Kreikan mittajärjestelmä perustui muinaiseen egyptiläiseen ja babylonialaiseen mittajärjestelmään, ja roomalaiset loivat järjestelmänsä muinaisen kreikkalaisen perusteella. Sitten tulen ja miekan ja tietysti kaupan kautta nämä järjestelmät levisivät kaikkialle Eurooppaan. On huomattava, että tässä puhumme vain yleisimmistä järjestelmistä. Mutta oli monia muita paino- ja mittajärjestelmiä, koska vaihto ja kauppa olivat välttämättömiä ehdottomasti kaikille. Jos alueella ei ollut kirjoituskieltä tai vaihdon tuloksia ei ollut tapana kirjata, voimme vain arvailla, kuinka nämä ihmiset mittasivat tilavuuden ja painon.

Mitta- ja painojärjestelmissä on monia alueellisia eroja. Tämä johtuu niiden itsenäisestä kehityksestä ja muiden järjestelmien vaikutuksesta niihin kaupan ja valloituksen seurauksena. Eri maissa oli erilaisia ​​järjestelmiä, ei vain eri maissa, vaan usein saman maan sisällä, jossa jokaisella kauppakaupungilla oli omansa, koska paikalliset hallitsijat eivät halunneet yhdistymistä säilyttääkseen valtansa. Matkailun, kaupan, teollisuuden ja tieteen kehittyessä monet maat pyrkivät yhtenäistämään paino- ja mittajärjestelmiä ainakin omissa maissaan.

Jo 1200-luvulla ja mahdollisesti aikaisemminkin tiedemiehet ja filosofit keskustelivat yhtenäisen mittausjärjestelmän luomisesta. Kuitenkin vasta Ranskan vallankumouksen ja sitä seuranneen Ranskan ja muiden Euroopan maiden, joilla oli jo omat paino- ja mittajärjestelmänsä, asuttaman maailman eri alueet, kehitettiin uusi järjestelmä, joka otettiin käyttöön useimmissa Euroopan maissa. maailman. Tämä uusi järjestelmä oli desimaalimetrijärjestelmä. Se perustui kantaan 10, eli millä tahansa fysikaalisella suurella oli yksi perusyksikkö ja kaikki muut yksiköt voitiin muodostaa normaalisti desimaalietuliitteillä. Jokainen tällainen murto- tai moninkertainen yksikkö voitaisiin jakaa kymmeneen pienempään yksikköön ja nämä pienemmät yksiköt puolestaan ​​10 vielä pienempään yksikköön ja niin edelleen.

Kuten tiedämme, useimmat varhaiset mittausjärjestelmät eivät perustuneet kantaan 10. 10-kantaisen järjestelmän mukavuus on, että meille tutulla numerojärjestelmällä on sama kanta, jonka avulla voimme tehdä nopeasti ja kätevästi yksinkertaisia ​​ja tuttuja sääntöjä , muuntaa pienemmistä yksiköistä suuriksi ja päinvastoin. Monet tiedemiehet uskovat, että kymmenen valinta lukujärjestelmän perustaksi on mielivaltaista ja liittyy vain siihen tosiasiaan, että meillä on kymmenen sormea ​​ja jos meillä olisi eri määrä sormia, käyttäisimme todennäköisesti erilaista numerojärjestelmää.

Metrijärjestelmä

Metrijärjestelmän alkuaikoina ihmisen valmistamia prototyyppejä käytettiin pituuden ja painon mittaina, kuten aikaisemmissakin järjestelmissä. Metrijärjestelmä on kehittynyt materiaalistandardeihin perustuvasta ja niiden tarkkuudesta riippuvaisesta järjestelmästä luonnonilmiöihin ja fysikaalisiin perusvakioihin perustuvaksi järjestelmäksi. Esimerkiksi aikayksikkö sekunti määriteltiin alun perin murto-osaksi trooppisesta vuodesta 1900. Tämän määritelmän haittana oli se, että tätä vakiota ei ollut mahdotonta kokeellisesti todentaa seuraavina vuosina. Siksi toinen määriteltiin uudelleen tietyksi määräksi säteilyjaksoja, jotka vastaavat cesium-133:n radioaktiivisen atomin, joka on levossa 0 K:ssa, perustilan kahden hyperhienon tason välistä siirtymää. Etäisyysyksikkö on metri. , liittyi isotoopin krypton-86 säteilyspektrin linjan aallonpituuteen, mutta myöhemmin Mittari määriteltiin uudelleen matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä ajassa, joka on 1/299 792 458 sekuntia.

Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) luotiin metrijärjestelmän perusteella. On huomattava, että perinteisesti metrijärjestelmä sisältää massan, pituuden ja ajan yksiköt, mutta SI-järjestelmässä perusyksiköiden lukumäärä on laajennettu seitsemään. Keskustelemme niistä alla.

Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI)

Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) on seitsemän perusyksikköä perussuureiden (massa, aika, pituus, valovoima, ainemäärä, sähkövirta, termodynaaminen lämpötila) mittaamiseen. Tämä kilogramma(kg) mittaamaan massaa, toinen c) mitata aikaa, mittari m) mittaamaan etäisyyttä, candela cd) valovoiman mittaamiseen, mooli(lyhenne mol) mittaamaan aineen määrää, ampeeri(A) sähkövirran mittaamiseen ja kelvin(K) lämpötilan mittaamiseen.

Tällä hetkellä vain kilogrammalla on vielä ihmisen tekemä standardi, kun taas loput yksiköt perustuvat yleismaailmallisiin fyysisiin vakioihin tai luonnonilmiöihin. Tämä on kätevää, koska fyysiset vakiot tai luonnonilmiöt, joihin mittayksiköt perustuvat, voidaan helposti todentaa milloin tahansa; Lisäksi ei ole vaaraa standardien katoamisesta tai vahingoittumisesta. Standardeista ei myöskään tarvitse luoda kopioita niiden saatavuuden varmistamiseksi eri puolilla maailmaa. Tämä eliminoi virheet, jotka liittyvät fyysisten objektien kopioinnin tarkkuuteen, ja tarjoaa siten paremman tarkkuuden.

Desimaalietuliitteet

Muodostaakseen kerrannais- ja osakertoja, jotka eroavat SI-järjestelmän perusyksiköistä tietyllä kokonaisluvulla, joka on kymmenen potenssi, se käyttää perusyksikön nimeen liitettyjä etuliitteitä. Seuraavassa on luettelo kaikista tällä hetkellä käytetyistä etuliitteistä ja niiden edustamista desimaalitekijöistä:

Konsoli	Symboli	Numeerinen arvo; Pilkut erottavat tässä numeroryhmät, ja desimaalierotin on piste.	Eksponentiaalinen merkintä
yotta	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
zetta	Z	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
esim	E	1 000 000 000 000 000 000	10 18
peta	P	1 000 000 000 000 000	10 15
tera	T	1 000 000 000 000	10 12
giga	G	1 000 000 000	10 9
mega	M	1 000 000	10 6
kilo	Vastaanottaja	1 000	10 3
hehto	G	100	10 2
äänilevy	Joo	10	10 1
ilman etuliitettä		1	10 0
desi	d	0,1	10 -1
centi	Kanssa	0,01	10 -2
Milli	m	0,001	10 -3
mikro	mk	0,000001	10 -6
nano	n	0,000000001	10 -9
pico	P	0,000000000001	10 -12
femto	f	0,000000000000001	10 -15
atto	A	0,000000000000000001	10 -18
zepto	h	0,000000000000000000001	10 -21
yocto	Ja	0,000000000000000000000001	10 -24

Esimerkiksi 5 gigametriä vastaa 5 000 000 000 metriä, kun taas 3 mikrokandelaa on 0,000003 kandelaa. On mielenkiintoista huomata, että vaikka etuliite on yksikkökilogrammissa, se on SI:n perusyksikkö. Siksi yllä olevia etuliitteitä käytetään gramman kanssa ikään kuin se olisi perusyksikkö.

Tätä artikkelia kirjoitettaessa vain kolme maata ei ole ottanut käyttöön SI-järjestelmää: Yhdysvallat, Liberia ja Myanmar. Kanadassa ja Isossa-Britanniassa perinteiset yksiköt ovat edelleen laajalti käytössä, vaikka SI-järjestelmä on näissä maissa virallinen yksikköjärjestelmä. Riittää, kun mennään kauppaan ja katsotaan hintalappuja tavaroiden kilolta (se osoittautuu halvemmaksi!) tai yrittää ostaa rakennusmateriaaleja metreinä ja kilogrammoina mitattuna. Ei toimi! Puhumattakaan tavaroiden pakkauksista, joissa kaikki on merkitty grammoina, kilogrammoina ja litroina, mutta ei kokonaislukuina, vaan punnoiksi, unsseiksi, pinteiksi ja kvarteiksi muutettuina. Jääkaappien maitotila lasketaan myös puoligallonaa tai gallonaa kohti, ei litraa maitotölkkiä kohti.

Onko mittayksiköiden kääntäminen kielestä toiseen vaikeaa? Kollegat ovat valmiita auttamaan sinua. Lähetä kysymys TCTermsissä ja saat vastauksen muutamassa minuutissa.

Laskelmat yksiköiden muuntamiseksi muuntimessa " Desimaalietuliitemuunnin" suoritetaan unitconversion.org-funktioilla.

Pituus- ja etäisyysmuunnin Massamuunnin Bulkkituotteiden ja elintarvikkeiden tilavuusmittausten muunnin Pinta-alamuunnin Kulinaaristen reseptien tilavuuden ja mittayksiköiden muuntaja Lämpötilamuunnin Paineen, mekaanisen rasituksen, Youngin moduulin muunnin Energian ja työn muuntaja Tehon muunnin Voiman muunnin Ajanmuunnin Lineaarinen nopeusmuunnin Tasakulmamuunnin lämpöhyötysuhteen ja polttoainetehokkuuden muuntaja Eri numerojärjestelmien lukujen muuntaja Tiedon määrän mittayksiköiden muuntaja Valuuttakurssit Naisten vaatteet ja kenkäkoot Miesten vaatteet ja kenkäkoot Kulmanopeus- ja pyörimistaajuusmuuttaja Kiihtyvyysmuunnin Kulmakiihtyvyysmuunnin Tiheysmuunnin Ominaistilavuuden muunnin Hitausmomenttimuunnin Voiman momenttimuunnin Momentinmuunnin Ominaislämpö muunnin (massan mukaan) Muuntimen energiatiheys ja ominaislämpö (tilavuuden mukaan) Lämpölaajenemismuuntimen kerroin Lämpövastusmuunnin Lämmönjohtavuusmuunnin Ominaislämpökapasiteetin muunnin Energiaaltistuksen ja lämpösäteilyn tehomuunnin Lämpövuon tiheysmuunnin Lämmönsiirtokertoimen muunnin Tilavuusvirtamuunnin Massavirtauksen muunnin Molaarivirtauksen muuntaja Massavirtauksen tiheyden muunnin Molaarikonsentraatiomuunnin Liuoksen massakonsentraatio Dynaaminen (absoluuttinen) viskositeettimuunnin Kinemaattinen viskositeettimuunnin Pintajännitysmuunnin Höyrynläpäisevyyden muunnin Höyrynläpäisevyyden ja höyrynsiirtonopeuden muunnin Äänitasomuunnin Mikrofonin herkkyysmuunnin Äänenpainetason (SPL) muunnin Äänenpainetason muunnin valittavissa olevalla vertailupaineen luminanssin muuntimella Valonvoimakkuuden muunnin Valonvoimakkuuden resoluutiomuunnin I Taajuus- ja aallonpituusmuunnin Diopteriteho ja polttopituus Diopteriteho ja linssin suurennus (×) Sähkövarausmuunnin Lineaarinen varaustiheysmuunnin Pintavaraustiheyden muunnin Tilavuusvaraustiheyden muunnin Sähkövirtamuunnin Lineaarisen virrantiheyden muuntaja Pintavirrantiheysmuunnin Sähkökentänvoimakkuuden muunnin Sähköstaattinen potentiaali ja jännitteenmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkönjohtavuusmuunnin Sähkönjohtavuuden muuntaja Sähkökapasitanssi Induktanssimuunnin Amerikkalainen lankamittarin muunnin Tasot dBm (dBm tai dBm), dBV (dBV), watteina jne. yksiköt Magnetomotorinen voimamuunnin Magneettikentän voimakkuusmuunnin Magneettivuon muunnin Magneettiinduktiomuunnin Säteily. Ionisoivan säteilyn absorboitunut annosnopeusmuunnin Radioaktiivisuus. Radioaktiivinen hajoamismuunnin Säteily. Altistuksen annoksen muuntaja Säteily. Absorboitunut annosmuunnin Desimaalietuliitemuunnin Tiedonsiirto Typografia- ja kuvankäsittelyyksikkömuunnin Puun tilavuusyksikkömuunnin Moolimassan laskenta Kemiallisten alkuaineiden jaksollinen taulukko, D. I. Mendeleev

1 nano [n] = 1000 pico [p]

Alkuarvo

Muunnettu arvo

ilman etuliitettä yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli mikro nano pico femto atto zepto yocto

Metrijärjestelmä ja kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI)

Johdanto

Tässä artikkelissa puhumme metrijärjestelmästä ja sen historiasta. Näemme, miten ja miksi se alkoi ja kuinka se vähitellen kehittyi sellaiseksi, mitä meillä on tänään. Tarkastellaan myös SI-järjestelmää, joka on kehitetty metrisestä mittajärjestelmästä.

Esivanhemmillemme, jotka elivät maailmassa, joka on täynnä vaaroja, kyky mitata erilaisia ​​määriä luonnollisessa elinympäristössään mahdollisti sen, että he pääsivät lähemmäksi luonnonilmiöiden olemuksen ymmärtämistä, ymmärrystä ympäristöstään ja kykyä jotenkin vaikuttaa ympäröivään. . Siksi ihmiset yrittivät keksiä ja parantaa erilaisia ​​mittausjärjestelmiä. Inhimillisen kehityksen kynnyksellä mittausjärjestelmä oli yhtä tärkeä kuin nykyään. Oli tarpeen suorittaa erilaisia ​​​​mittauksia, kun asuntorakentaminen, erikokoisten vaatteiden ompelu, ruoanlaitto ja tietysti kauppa ja vaihto eivät selvinneet ilman mittaamista! Monet uskovat, että kansainvälisen SI-yksikköjärjestelmän luominen ja käyttöönotto on paitsi tieteen ja teknologian, myös inhimillisen kehityksen vakavin saavutus.

Varhaiset mittausjärjestelmät

Varhaisissa mittaus- ja numerojärjestelmissä ihmiset käyttivät mittaamiseen ja vertailuun perinteisiä esineitä. Esimerkiksi uskotaan, että desimaalijärjestelmä ilmestyi, koska meillä on kymmenen sormea ​​ja varpaita. Kätemme ovat aina kanssamme - siksi ihmiset ovat muinaisista ajoista lähtien käyttäneet (ja käyttävät edelleen) sormia laskemiseen. Emme kuitenkaan ole aina käyttäneet laskentaan perus 10-järjestelmää, ja metrijärjestelmä on suhteellisen uusi keksintö. Jokainen alue kehitti omat yksikköjärjestelmänsä ja vaikka näillä järjestelmillä on paljon yhteistä, useimmat järjestelmät ovat silti niin erilaisia, että mittayksiköiden muuntaminen järjestelmästä toiseen on aina ollut ongelma. Tämä ongelma tuli yhä vakavammaksi eri kansojen välisen kaupan kehittyessä.

Ensimmäisten paino- ja mittajärjestelmien tarkkuus riippui suoraan niiden esineiden koosta, jotka ympäröivät näitä järjestelmiä kehittäviä ihmisiä. On selvää, että mittaukset olivat epätarkkoja, koska "mittauslaitteilla" ei ollut tarkkoja mittoja. Esimerkiksi kehon osia käytettiin yleisesti pituuden mittana; massa ja tilavuus mitattiin käyttämällä siementen ja muiden pienten esineiden tilavuutta ja massaa, joiden mitat olivat suunnilleen samat. Alla tarkastelemme lähemmin tällaisia ​​yksiköitä.

Pituus mitat

Muinaisessa Egyptissä pituus mitattiin ensin yksinkertaisesti kyynärpäät, ja myöhemmin kuninkaallisilla kyynärpäillä. Kyynärpään pituus määritettiin etäisyydeksi kyynärpään mutkasta ojennetun keskisormen päähän. Siten kuninkaallinen kyynärä määriteltiin hallitsevan faaraon kyynäräksi. Mallikyynärä luotiin ja asetettiin yleisön saataville, jotta jokainen voisi tehdä omat pituusmittansa. Tämä oli tietysti mielivaltainen yksikkö, joka muuttui, kun uusi hallitseva henkilö nousi valtaistuimelle. Muinainen Babylon käytti samanlaista järjestelmää, mutta pienillä eroilla.

Kyynärpää jaettiin pienempiin yksiköihin: kämmenelle, käsi, zerets(ft) ja sinä(sormi), joita edustivat vastaavasti kämmenen, käden (peukalon kanssa), jalan ja sormen leveydet. Samalla he päättivät sopia kuinka monta sormea ​​oli kämmenessä (4), kädessä (5) ja kyynärpäässä (28 Egyptissä ja 30 Babylonissa). Se oli kätevämpää ja tarkempaa kuin mittaussuhteiden joka kerta.

Massan ja painon mitat

Painomittaukset perustuivat myös eri esineiden parametreihin. Siemeniä, jyviä, papuja ja vastaavia käytettiin painomittareina. Klassinen esimerkki nykyäänkin käytetystä massayksiköstä on karaatti. Nykyään jalokivien ja helmien paino mitataan karaateissa, ja kerran johanneksenleipäpuun siementen, muuten johanneksenleipäpuun, paino määritettiin karaatteina. Puu on viljelty Välimerellä, ja sen siemenet erottuvat vakiomassastaan, joten niitä oli kätevä käyttää painon ja massan mittana. Eri paikoissa käytettiin erilaisia ​​siemeniä pieninä painoyksiköinä, ja suuremmat yksiköt olivat yleensä pienempien yksiköiden kerrannaisia. Arkeologit löytävät usein samanlaisia ​​suuria painoja, jotka on yleensä valmistettu kivestä. Ne koostuivat 60, 100 ja muista pienistä yksiköistä. Koska pienten asuntojen lukumäärälle ja painolle ei ollut yhtenäistä standardia, tämä johti ristiriitoihin, kun eri paikoissa asuvat myyjät ja ostajat kohtasivat.

Volyymimitat

Aluksi tilavuutta mitattiin myös pienillä esineillä. Esimerkiksi ruukun tai kannun tilavuus määritettiin täyttämällä se yläosaan pienillä esineillä suhteessa standarditilavuuteen - kuten siemenillä. Standardoinnin puute johti kuitenkin samoihin ongelmiin tilavuuden mittaamisessa kuin massan mittauksessa.

Erilaisten mittajärjestelmien kehitys

Antiikin Kreikan mittajärjestelmä perustui muinaiseen egyptiläiseen ja babylonialaiseen mittajärjestelmään, ja roomalaiset loivat järjestelmänsä muinaisen kreikkalaisen perusteella. Sitten tulen ja miekan ja tietysti kaupan kautta nämä järjestelmät levisivät kaikkialle Eurooppaan. On huomattava, että tässä puhumme vain yleisimmistä järjestelmistä. Mutta oli monia muita paino- ja mittajärjestelmiä, koska vaihto ja kauppa olivat välttämättömiä ehdottomasti kaikille. Jos alueella ei ollut kirjoituskieltä tai vaihdon tuloksia ei ollut tapana kirjata, voimme vain arvailla, kuinka nämä ihmiset mittasivat tilavuuden ja painon.

Mitta- ja painojärjestelmissä on monia alueellisia eroja. Tämä johtuu niiden itsenäisestä kehityksestä ja muiden järjestelmien vaikutuksesta niihin kaupan ja valloituksen seurauksena. Eri maissa oli erilaisia ​​järjestelmiä, ei vain eri maissa, vaan usein saman maan sisällä, jossa jokaisella kauppakaupungilla oli omansa, koska paikalliset hallitsijat eivät halunneet yhdistymistä säilyttääkseen valtansa. Matkailun, kaupan, teollisuuden ja tieteen kehittyessä monet maat pyrkivät yhtenäistämään paino- ja mittajärjestelmiä ainakin omissa maissaan.

Jo 1200-luvulla ja mahdollisesti aikaisemminkin tiedemiehet ja filosofit keskustelivat yhtenäisen mittausjärjestelmän luomisesta. Kuitenkin vasta Ranskan vallankumouksen ja sitä seuranneen Ranskan ja muiden Euroopan maiden, joilla oli jo omat paino- ja mittajärjestelmänsä, asuttaman maailman eri alueet, kehitettiin uusi järjestelmä, joka otettiin käyttöön useimmissa Euroopan maissa. maailman. Tämä uusi järjestelmä oli desimaalimetrijärjestelmä. Se perustui kantaan 10, eli millä tahansa fysikaalisella suurella oli yksi perusyksikkö ja kaikki muut yksiköt voitiin muodostaa normaalisti desimaalietuliitteillä. Jokainen tällainen murto- tai moninkertainen yksikkö voitaisiin jakaa kymmeneen pienempään yksikköön ja nämä pienemmät yksiköt puolestaan ​​10 vielä pienempään yksikköön ja niin edelleen.

Kuten tiedämme, useimmat varhaiset mittausjärjestelmät eivät perustuneet kantaan 10. 10-kantaisen järjestelmän mukavuus on, että meille tutulla numerojärjestelmällä on sama kanta, jonka avulla voimme tehdä nopeasti ja kätevästi yksinkertaisia ​​ja tuttuja sääntöjä , muuntaa pienemmistä yksiköistä suuriksi ja päinvastoin. Monet tiedemiehet uskovat, että kymmenen valinta lukujärjestelmän perustaksi on mielivaltaista ja liittyy vain siihen tosiasiaan, että meillä on kymmenen sormea ​​ja jos meillä olisi eri määrä sormia, käyttäisimme todennäköisesti erilaista numerojärjestelmää.

Metrijärjestelmä

Metrijärjestelmän alkuaikoina ihmisen valmistamia prototyyppejä käytettiin pituuden ja painon mittaina, kuten aikaisemmissakin järjestelmissä. Metrijärjestelmä on kehittynyt materiaalistandardeihin perustuvasta ja niiden tarkkuudesta riippuvaisesta järjestelmästä luonnonilmiöihin ja fysikaalisiin perusvakioihin perustuvaksi järjestelmäksi. Esimerkiksi aikayksikkö sekunti määriteltiin alun perin murto-osaksi trooppisesta vuodesta 1900. Tämän määritelmän haittana oli se, että tätä vakiota ei ollut mahdotonta kokeellisesti todentaa seuraavina vuosina. Siksi toinen määriteltiin uudelleen tietyksi määräksi säteilyjaksoja, jotka vastaavat cesium-133:n radioaktiivisen atomin, joka on levossa 0 K:ssa, perustilan kahden hyperhienon tason välistä siirtymää. Etäisyysyksikkö on metri. , liittyi isotoopin krypton-86 säteilyspektrin linjan aallonpituuteen, mutta myöhemmin Mittari määriteltiin uudelleen matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä ajassa, joka on 1/299 792 458 sekuntia.

Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) luotiin metrijärjestelmän perusteella. On huomattava, että perinteisesti metrijärjestelmä sisältää massan, pituuden ja ajan yksiköt, mutta SI-järjestelmässä perusyksiköiden lukumäärä on laajennettu seitsemään. Keskustelemme niistä alla.

Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI)

Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) on seitsemän perusyksikköä perussuureiden (massa, aika, pituus, valovoima, ainemäärä, sähkövirta, termodynaaminen lämpötila) mittaamiseen. Tämä kilogramma(kg) mittaamaan massaa, toinen c) mitata aikaa, mittari m) mittaamaan etäisyyttä, candela cd) valovoiman mittaamiseen, mooli(lyhenne mol) mittaamaan aineen määrää, ampeeri(A) sähkövirran mittaamiseen ja kelvin(K) lämpötilan mittaamiseen.

Tällä hetkellä vain kilogrammalla on vielä ihmisen tekemä standardi, kun taas loput yksiköt perustuvat yleismaailmallisiin fyysisiin vakioihin tai luonnonilmiöihin. Tämä on kätevää, koska fyysiset vakiot tai luonnonilmiöt, joihin mittayksiköt perustuvat, voidaan helposti todentaa milloin tahansa; Lisäksi ei ole vaaraa standardien katoamisesta tai vahingoittumisesta. Standardeista ei myöskään tarvitse luoda kopioita niiden saatavuuden varmistamiseksi eri puolilla maailmaa. Tämä eliminoi virheet, jotka liittyvät fyysisten objektien kopioinnin tarkkuuteen, ja tarjoaa siten paremman tarkkuuden.

Desimaalietuliitteet

Muodostaakseen kerrannais- ja osakertoja, jotka eroavat SI-järjestelmän perusyksiköistä tietyllä kokonaisluvulla, joka on kymmenen potenssi, se käyttää perusyksikön nimeen liitettyjä etuliitteitä. Seuraavassa on luettelo kaikista tällä hetkellä käytetyistä etuliitteistä ja niiden edustamista desimaalitekijöistä:

Konsoli	Symboli	Numeerinen arvo; Pilkut erottavat tässä numeroryhmät, ja desimaalierotin on piste.	Eksponentiaalinen merkintä
yotta	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
zetta	Z	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
esim	E	1 000 000 000 000 000 000	10 18
peta	P	1 000 000 000 000 000	10 15
tera	T	1 000 000 000 000	10 12
giga	G	1 000 000 000	10 9
mega	M	1 000 000	10 6
kilo	Vastaanottaja	1 000	10 3
hehto	G	100	10 2
äänilevy	Joo	10	10 1
ilman etuliitettä		1	10 0
desi	d	0,1	10 -1
centi	Kanssa	0,01	10 -2
Milli	m	0,001	10 -3
mikro	mk	0,000001	10 -6
nano	n	0,000000001	10 -9
pico	P	0,000000000001	10 -12
femto	f	0,000000000000001	10 -15
atto	A	0,000000000000000001	10 -18
zepto	h	0,000000000000000000001	10 -21
yocto	Ja	0,000000000000000000000001	10 -24

Esimerkiksi 5 gigametriä vastaa 5 000 000 000 metriä, kun taas 3 mikrokandelaa on 0,000003 kandelaa. On mielenkiintoista huomata, että vaikka etuliite on yksikkökilogrammissa, se on SI:n perusyksikkö. Siksi yllä olevia etuliitteitä käytetään gramman kanssa ikään kuin se olisi perusyksikkö.

Tätä artikkelia kirjoitettaessa vain kolme maata ei ole ottanut käyttöön SI-järjestelmää: Yhdysvallat, Liberia ja Myanmar. Kanadassa ja Isossa-Britanniassa perinteiset yksiköt ovat edelleen laajalti käytössä, vaikka SI-järjestelmä on näissä maissa virallinen yksikköjärjestelmä. Riittää, kun mennään kauppaan ja katsotaan hintalappuja tavaroiden kilolta (se osoittautuu halvemmaksi!) tai yrittää ostaa rakennusmateriaaleja metreinä ja kilogrammoina mitattuna. Ei toimi! Puhumattakaan tavaroiden pakkauksista, joissa kaikki on merkitty grammoina, kilogrammoina ja litroina, mutta ei kokonaislukuina, vaan punnoiksi, unsseiksi, pinteiksi ja kvarteiksi muutettuina. Jääkaappien maitotila lasketaan myös puoligallonaa tai gallonaa kohti, ei litraa maitotölkkiä kohti.

Onko mittayksiköiden kääntäminen kielestä toiseen vaikeaa? Kollegat ovat valmiita auttamaan sinua. Lähetä kysymys TCTermsissä ja saat vastauksen muutamassa minuutissa.

Laskelmat yksiköiden muuntamiseksi muuntimessa " Desimaalietuliitemuunnin" suoritetaan unitconversion.org-funktioilla.

Sähkösuureiden lyhenteet

Elektroniikkapiirejä koottaessa joudut tahtomattaan laskemaan uudelleen vastusten resistanssiarvot, kondensaattorien kapasiteetit ja kelojen induktanssit.

Joten esimerkiksi on tarpeen muuttaa mikrofaradit pikofaradeiksi, kiloohmit ohmeiksi, millihenryt mikrohenryiksi.

Kuinka olla hämmentymättä laskelmissa?

Jos tehdään virhe ja valitaan väärän arvoinen elementti, koottu laite ei toimi oikein tai sillä on muita ominaisuuksia.

Tämä tilanne ei ole käytännössä harvinaista, koska joskus radioelementtien koteloissa kapasitanssin arvo on merkitty nano faradit (nF), ja piirikaaviossa kondensaattoreiden kapasitanssit on yleensä merkitty mikro faradit (µF) ja pico faradit (pF). Tämä johtaa harhaan monia aloittelevia radioamatööreita ja sen seurauksena hidastaa elektronisen laitteen kokoamista.

Tämän tilanteen estämiseksi sinun on opittava yksinkertaisia ​​laskelmia.

Jotta et joutuisi sekaan mikrofaradeihin, nanofaradeihin, pikofaradeihin, sinun on tutustuttava mittataulukkoon. Olen varma, että siitä on hyötyä useammin kuin kerran.

Tämä taulukko sisältää desimaalikerrat ja murtolukuetuliitteet. Kansainvälinen yksikköjärjestelmä, jonka nimi on lyhenne SI, sisältää kuusi kerrannaista (deca, hecto, kilo, mega, giga, tera) ja kahdeksan osamonia etuliitettä (deci, centi, milli, mikro, nano, pico, femto, atto). Monia näistä lisälaitteista on käytetty elektroniikassa pitkään.

Tekijä	Konsoli
	Nimi	Lyhenne
			kansainvälinen
1000 000 000 000 = 10 12	Tera
1000 000 000 = 10 9	Giga
1000 000 = 10 6	Mega
1000 = 10 3	kilo
100 = 10 2	Hehto
10 = 10 1	äänilevy
0,1 = 10 -1	desi
0,01 = 10 -2	centi
0,001 = 10 -3	Milli
0,000 001 = 10 -6	mikro
0,000 000 001 = 10 -9	nano
0,000 000 000 001 = 10 -12	pico
0,000 000 000 000 001 = 10 -15	femto
0,000 000 000 000 000 001 = 10 -18	atto

Kuinka käyttää pöytää?

Kuten taulukosta nähdään, ero monien etuliitteiden välillä on tasan 1000. Joten esimerkiksi tämä sääntö pätee moninkertaisten välillä, alkaen etuliitteestä kilo-.

• Mega - 1 000 000

  Giga - 1 000 000 000

  Tera - 1 000 000 000 000

Joten jos vastuksen nimen vieressä lukee 1 MΩ (1 Mega Ohm), sen vastus on 1 000 000 (1 miljoonaa) ohmia. Jos on vastus, jonka nimellisvastus on 1 kOhm (1 kilo ohmia), niin ohmissa se on 1000 (1 tuhat) ohmia.

Moninkertaisilla tai muuten murto-osilla tilanne on samanlainen, vain numeerinen arvo ei kasva, vaan pienenee.

Jotta et sekoitu mikrofaradeissa, nanofaradeissa, pikofaradeissa, sinun on muistettava yksi yksinkertainen sääntö. Sinun on ymmärrettävä, että milli, mikro, nano ja pico ovat kaikki erilaisia tasan 1000. Eli jos he kertovat sinulle 47 mikrofaradia, tämä tarkoittaa, että nanofaradeissa se on 1000 kertaa enemmän - 47 000 nanofaradia. Pikofaradeissa tämä on jo 1000 kertaa enemmän - 47 000 000 pikofaradia. Kuten näet, ero 1 mikrofaradin ja 1 pikofaradin välillä on 1 000 000 kertaa.

Myös käytännössä joskus on tarpeen tietää arvo mikrofaradeina, mutta kapasitanssin arvo ilmoitetaan nanofaradeissa. Joten jos kondensaattorin kapasitanssi on 1 nanofaradi, niin mikrofaradoissa se on 0,001 mikrofaradia. Jos kapasitanssi on 0,01 mikrofaradia, niin pikofaradeissa se on 10 000 pF ja nanofaradeissa 10 nF.

Lyhennettyyn merkintään käytetään etuliitteitä, jotka ilmaisevat suuren mittasuhteen. Samaa mieltä, että on helpompi kirjoittaa 1 mA, kuin 0,001 ampeeria tai esim. 400 uH, kuin 0,0004 Henry.

Aiemmin esitetyssä taulukossa on myös lyhennetty etuliitteen nimitys. Jotta ei kirjoiteta Mega, kirjoita vain kirje M. Etuliitettä seuraa yleensä sähkösuureen lyhenne. Esimerkiksi sana Ampeeriälä kirjoita, vaan merkitse vain kirjain A. Sama koskee kapasiteetin mittayksikön lyhennettä. Farad. Tässä tapauksessa vain kirje kirjoitetaan F.

Vanhassa radioelektronisessa kirjallisuudessa usein käytetyn venäjänkielisen lyhenteen rinnalla on myös kansainvälinen etuliitteiden lyhennetty merkintä. Se näkyy myös taulukossa.

1900-luvun alussa he eivät vielä pystyneet "näkemään" tämän kokoisia hiukkasia, koska ne olivat valomikroskoopin resoluutiorajojen alapuolella. Siksi ei ole sattumaa, että yhtenä nanoteknologian syntymisen alkuvaiheista pidetään M. Knollin ja E. Ruskan vuonna 1931 tekemää elektronimikroskoopin keksintöä. Vasta tämän jälkeen ihmiskunta pystyi "näkemään" submikronin ja nanometrin kokoisia esineitä. Ja sitten kaikki loksahtaa paikoilleen - pääkriteeri, jolla ihmiskunta hyväksyy (tai ei hyväksy) uusia tosiasioita ja ilmiöitä, ilmaistaan ​​uskottoman Tuomasin sanoilla: "Ennen kuin näen, en usko."

Seuraava askel otettiin vuonna 1981 - G. Binnig ja G. Rohrer loivat pyyhkäisytunnelimikroskoopin, joka mahdollisti paitsi kuvien saamisen yksittäisistä atomeista myös manipuloinnin. Eli tekniikka, josta R. Feynman puhui luennossaan, luotiin. Silloin nanoteknologian aikakausi alkoi.

Huomattakoon, että tässä taas ollaan tekemisissä saman tarinan kanssa. Jälleen, koska on yleensä tavallista, että ihmiskunta ei kiinnitä huomiota siihen, mikä on ainakin hieman aikaansa edellä. Joten nanoteknologian esimerkkiä käyttäen käy ilmi, että mitään uutta ei löydetty, he yksinkertaisesti alkoivat ymmärtää paremmin mitä ympärillä tapahtui, mitä jopa muinaisina aikoina ihmiset jo tekivät, vaikkakin tiedostamatta tai pikemminkin tietoisesti (he tiesivät mitä he halusi saada), mutta ei ymmärrä fysiikan ja kemian ilmiöitä. Toinen kysymys on, että teknologian läsnäolo ei vielä tarkoita prosessin olemuksen ymmärtämistä. He osasivat keittää terästä kauan sitten, mutta ymmärrys teräksenvalmistuksen fysikaalisista ja kemiallisista perusteista tuli paljon myöhemmin. Täällä voit muistaa, että Damaskoksen teräksen salaisuutta ei ole vielä löydetty. Tässä meillä on erilainen hypostaasi - tiedämme, mitä meidän on saatava, mutta emme tiedä miten. Tieteen ja tekniikan välinen suhde ei siis ole aina yksinkertainen.

Kuka oli ensimmäinen, joka tutki nanomateriaaleja niiden nykyisessä merkityksessä? Vuonna 1981 amerikkalainen tiedemies G. Gleiter käytti ensimmäisen kerran "nanokiteisen" määritelmää. Hän muotoili käsitteen nanomateriaalien luomisesta ja kehitti sitä sarjassa töissä vuosina 1981–1986, ottamalla käyttöön termit "nanokiteinen", "nanorakenteinen", "nanofaasi" ja "nanokomposiittimateriaalit". Pääpaino näissä töissä oli nanomateriaalien useiden rajapintojen kriittisessä roolissa kiinteiden aineiden ominaisuuksien muuttamisen perustana.

Yksi nanoteknologian historian ja nanohiukkasten ideologian kehityksen tärkeimmistä tapahtumista oli myös hiilinanorakenteiden - fullereenin ja hiilinanoputkien - löytö 80-luvun puolivälissä - 1900-luvun 90-luvun alussa sekä löytö 2000-luvulla grafeenin valmistusmenetelmä.

Mutta palataanpa määritelmiin.

Ensimmäiset määritelmät: kaikki on hyvin yksinkertaista

Aluksi kaikki oli hyvin yksinkertaista. Vuonna 2000 Yhdysvaltain presidentti B. Clinton allekirjoitti asiakirjan " Kansallinen nanoteknologia-aloite"("National Nanotechnology Initiative"), joka sisältää seuraavan määritelmän: nanoteknologia sisältää teknologioiden ja tutkimuksen luomisen atomi-, molekyyli- ja makromolekyylitasolla suunnilleen 1-100 nm ymmärtääkseen nanomittakaavan tason ilmiöiden ja materiaalien ominaisuuksien perusperiaatteet sekä rakenteiden, laitteiden ja järjestelmien luomisen ja käytön, joilla on koon mukaan uusia ominaisuuksia ja toimintoja.

Vuonna 2003 Yhdistyneen kuningaskunnan hallitus vetosi siihen Kuninkaallinen yhteisö ja Royal Academy of Engineering pyynnön kanssa ilmaista mielipiteensä nanoteknologian kehittämisen tarpeesta, arvioida niiden kehityksen mahdollisesti aiheuttamia etuja ja ongelmia. Tällainen raportti, jonka otsikko on " Nanotiede ja nanoteknologia: mahdollisuudet ja epävarmuustekijät" ilmestyi heinäkuussa 2004, ja siinä annettiin tietääksemme ensimmäistä kertaa erilliset nanotieteen ja nanoteknologian määritelmät:

Nanotiede on atomi-, molekyyli- ja makromolekyylitason ilmiöiden ja esineiden tutkimus, joiden ominaisuudet eroavat merkittävästi niiden makroanalogien ominaisuuksista.

Nanoteknologia on sellaisten rakenteiden, laitteiden ja järjestelmien suunnittelu, karakterisointi, tuotanto ja käyttö, joiden ominaisuudet määräytyvät niiden muodon ja koon mukaan nanometritasolla.

Siten termillä "nanoteknologia" viittaa joukkoon teknisiä tekniikoita, jotka mahdollistavat nanoobjektien luomisen ja/tai niiden manipuloinnin. Jäljelle jää vain nanoobjektien määrittely. Mutta käy ilmi, että tämä ei ole niin yksinkertaista, joten suurin osa artikkelista on omistettu tälle määritelmälle.

Aluksi tässä on nykyään yleisimmin käytetty muodollinen määritelmä:

Nanoobjektit (nanohiukkasia) ovat esineitä (hiukkasia), joiden tyypillinen koko on 1–100 nanometriä vähintään yhdessä ulottuvuudessa.

Kaikki näyttää olevan hienoa ja selkeää, mutta ei ole selvää, miksi 1 ja 100 nm:n ala- ja ylärajalle annettiin niin tiukka määritelmä? Näyttää siltä, ​​että tämä valittiin vapaaehtoisesti, ylärajan asettaminen on erityisen epäilyttävää. Miksei 70 tai 150 nm? Loppujen lopuksi, kun otetaan huomioon kaikki nano-objektien monimuotoisuus luonnossa, kokoasteikon nano-osuuden rajat voivat ja pitäisi hämärtyä merkittävästi. Ja yleensä luonnossa tarkkojen rajojen piirtäminen on mahdotonta - jotkut kohteet virtaavat sujuvasti toisiin, ja tämä tapahtuu tietyllä aikavälillä, ei pisteessä.

Ennen kuin puhumme rajoista, yritetään ymmärtää, mikä fyysinen merkitys "nanoobjektin" käsitteeseen sisältyy, miksi se on erotettava erillisellä määritelmällä?

Kuten edellä todettiin, vasta 1900-luvun lopulla alkoi ilmetä (tai pikemminkin vakiintua mieliin) ymmärrys siitä, että aineen rakenteen nanomittakaavaisella alueella on edelleen omat ominaisuutensa, että tällä tasolla aineella on muita ominaisuuksia, jotka eivät ilmene makrokosmosessa. On erittäin vaikeaa kääntää joitain englanninkielisiä termejä venäjäksi, mutta englanniksi on termi " bulkkimateriaalia”, joka voidaan karkeasti kääntää "suureksi määräksi ainetta", "bulkkiaineeksi", "jatkuvaksi väliaineeksi". Joten tässä on joitain ominaisuuksia " irtotavarat» kun sen aineosien koko pienenee, ne voivat alkaa muuttua saavuttaessaan tietyn koon. Tässä tapauksessa he sanovat, että tapahtuu siirtymä aineen, nanomateriaalien, nanotilaan.

Ja tämä tapahtuu, koska hiukkaskoon pienentyessä niiden pinnalla olevien atomien osuus ja niiden osuus kohteen ominaisuuksista tulee merkittäväksi ja kasvaa koon pienentyessä edelleen (kuva 3).

Mutta miksi pintaatomien osuuden kasvu vaikuttaa merkittävästi hiukkasten ominaisuuksiin?

Ns. pintailmiöt ovat olleet tiedossa jo pitkään - ne ovat pintajännitys, kapillaariilmiöt, pinta-aktiivisuus, kostutus, adsorptio, adheesio jne. Koko joukko näitä ilmiöitä johtuu siitä, että vuorovaikutusvoimat hiukkaset, jotka muodostavat kehon, eivät kompensoidu sen pinnalla (kuvio 4). Toisin sanoen pinnalla olevat atomit (kide tai neste - sillä ei ole väliä) ovat erityisissä olosuhteissa. Esimerkiksi kiteissä voimat, jotka pakottavat ne olemaan kidehilan solmuissa, vaikuttavat niihin vain alhaalta. Siksi näiden "pinta-atomien" ominaisuudet eroavat samojen atomien ominaisuuksista.

Koska pinta-atomien lukumäärä nanoobjekteissa kasvaa jyrkästi (kuva 3), niiden osuus nanoobjektin ominaisuuksista tulee ratkaisevaksi ja kasvaa objektin koon pienentyessä edelleen. Tämä on juuri yksi syy uusien ominaisuuksien ilmenemiseen nanotasolla.

Toinen syy käsiteltyyn ominaisuuksien muutokseen on se, että tällä ulottuvuustasolla alkaa ilmetä kvanttimekaniikan lakien vaikutus, eli nanokokojen taso on siirtymätaso, eli siirtymä klassisen mekaniikan valtakaudelta. kvanttimekaniikan valtakunta. Ja kuten hyvin tiedetään, kaikkein arvaamattomimpia asioita ovat juuri siirtymätilat.

1900-luvun puoliväliin mennessä ihmiset oppivat työskentelemään sekä atomimassan että yhden atomin kanssa.

Myöhemmin kävi selväksi, että "pieni nippu atomeja" on jotain muuta, ei aivan samanlaista kuin atomimassa tai yksittäinen atomi.

Ensimmäistä kertaa tiedemiehet ja teknikot todennäköisesti kohtasivat tämän puolijohdefysiikan ongelman. Pyrkiessään miniatyrisoimaan ne saavuttivat partikkelikoot (useita kymmeniä nanometrejä tai vähemmän), jolloin niiden optiset ja elektroniset ominaisuudet alkoivat poiketa jyrkästi "normaalikokoisten" hiukkasten vastaavista. Silloin vihdoin kävi selväksi, että "nanomittakaava" on erityinen alue, joka on erilainen kuin makrohiukkasten tai jatkuvan väliaineen olemassaoloalue.

Siksi yllä olevissa nanotieteen ja nanoteknologian määritelmissä merkittävin kohta on se, että "todellinen nano" alkaa näiden aineiden uusien ominaisuuksien ilmaantuvuudesta, jotka liittyvät näihin mittakaaviin siirtymiseen ja jotka eroavat bulkkimateriaalien ominaisuuksista. Toisin sanoen nanohiukkasten merkittävin ja tärkein ominaisuus, niiden tärkein ero mikro- ja makrohiukkasista, on niissä pohjimmiltaan uusien ominaisuuksien ilmaantuminen, joita ei esiinny muissa koossa. Olemme jo antaneet kirjallisia esimerkkejä, käytämme tätä tekniikkaa uudelleen näyttääksemme ja korostaaksemme makro-, mikro- ja nanoobjektien välisiä eroja selkeästi.

Palataan kirjallisiin esimerkkeihin. Leskovin tarinan sankari Levsha mainitaan usein "varhaisena" nanoteknologina. Tämä on kuitenkin väärin. Leftyn tärkein saavutus on se, että hän takoi pieniä nauloja [ "Työskentelin pienempiä kuin nämä hevosenkengät: takoin naulat, joilla hevosenkengät on täytetty, ei mikään pieni tähtäin enää vie niitä sinne"]. Mutta nämä kynnet, vaikkakin hyvin pienet, pysyivät kynsinä eivätkä menettäneet päätehtäväänsä - pitää hevosenkengän. Joten esimerkki Leftyllä on esimerkki miniatyrisoinnista (mikrominiatyrisoinnista, jos haluat), eli kohteen koon pienentämisestä muuttamatta sen toiminnallisia ja muita ominaisuuksia.

Mutta jo mainittu B. Zhitkovin tarina kuvaa tarkasti ominaisuuksien muutosta:

Lainata:

"Minun piti vetää ohut lanka - eli paksuus, joka olisi kuin hiukset eläville käsilleni. Työskentelin ja katsoin mikroskoopin läpi, kun mikrokädet ojensivat kuparia. Ohuempi, ohuempi - vielä oli viisi venytystä jäljellä - ja sitten lanka katkesi. Se ei edes repeytynyt - se mureni kuin se olisi tehty savesta. Se mureni hienoksi hiekkaksi. Tämä on punaista kuparia, joka on kuuluisa taipuisuudestaan."

Huomaa, että sisään Wikipedia nanoteknologiaa käsittelevässä artikkelissa kuparin kovuuden kasvu esitetään yhtenä esimerkkinä ominaisuuksien muutoksista koon pienentyessä. (Ihmettelen, mistä B. Zhitkov sai tietää tästä vuonna 1931?)

Nanoobjektit: kvanttitasot, säikeet ja pisteet. Hiilen nanorakenteet

1900-luvun lopulla tietyn aineen hiukkaskokojen alueen - nanokokoalueen - olemassaolo tuli vihdoin ilmeiseksi. Fyysikot selventävät nano-objektien määritelmää väittävät, että kokoasteikon nano-osan yläraja ilmeisesti osuu yhteen niin sanottujen pieniulotteisten vaikutusten ilmentymän tai ulottuvuuden pienenemisen vaikutuksen kanssa.

Yritetään kääntää viimeinen väite fyysikkojen kielestä yhteiselle ihmiskielelle.

Elämme kolmiulotteisessa maailmassa. Kaikilla ympärillämme olevilla todellisilla esineillä on tietyt mitat kaikissa kolmessa ulottuvuudessa tai, kuten fyysikot sanovat, niillä on ulottuvuus 3.

Suoritetaan seuraava ajatuskoe. Valitsemme kolmiulotteisen, äänenvoimakkuus, näyte jostakin materiaalista, mieluiten homogeenisesta kideestä. Olkoon se kuutio, jonka reunan pituus on 1 cm. Tällä näytteellä on tiettyjä fysikaalisia ominaisuuksia, jotka eivät riipu sen koosta. Näytteemme ulkopinnan lähellä ominaisuudet voivat poiketa bulkkien ominaisuuksista. Pintaatomien suhteellinen osuus on kuitenkin pieni, ja siksi pinnan ominaisuuksien muutosten osuus voidaan jättää huomiotta (tämä vaatimus tarkoittaa fyysikkojen kielellä, että näyte äänenvoimakkuutta). Jaetaan nyt kuutio kahtia - kaksi sen ominaismitoista pysyy ennallaan ja yksi, olkoon se korkeus d, vähenee 2 kertaa. Mitä tapahtuu näytteen ominaisuuksille? Ne eivät muutu. Toistetaan tämä kokeilu uudelleen ja mitataan meitä kiinnostava ominaisuus. Saamme saman tuloksen. Toistamalla kokeilua monta kertaa saavutamme lopulta tietyn kriittisen koon d*, jonka alapuolella mitattava omaisuus alkaa riippua koosta d. Miksi? klo d ≤ d* pinta-atomien osuus ominaisuuksista tulee merkittäväksi ja kasvaa edelleen pienentyessä d.

Fyysikot sanovat, että milloin d ≤ d* näytteessämme on kvanttikokoefekti yhdessä ulottuvuudessa. Heille näytteemme ei ole enää kolmiulotteinen (mikä jokaiselle tavalliselle ihmiselle kuulostaa absurdilta, koska meidän d vaikka se on pieni, se ei ole yhtä suuri kuin nolla!), se mitta pienennetty kahteen. A itse näytettä kutsutaan kvanttitaso, tai kvantti hyvin, analogisesti fysiikassa usein käytetyn termin "potentiaalikaivo" kanssa.

Jos jossain näytteessä d ≤ d* kahdessa ulottuvuudessa, sitä kutsutaan yksiulotteinen kvanttiobjekti, tai kvanttilanka, tai kvanttilanka. U nollaulotteiset esineet, tai kvanttipisteet, d ≤ d* kaikissa kolmessa ulottuvuudessa.

Luonnollisesti kriittinen koko d* ei ole vakioarvo eri materiaaleille ja jopa yhdelle materiaalille voi vaihdella merkittävästi riippuen siitä, mitkä ominaisuudet mittasimme kokeessamme, tai toisin sanoen mikä fysikaalisten ilmiöiden kriittisistä mittaominaisuuksista määrää tämän ominaisuuden (vapaa polku elektronit fononit, de Broglien aallonpituus, diffuusion pituus, ulkoisen sähkömagneettisen kentän tai akustisten aaltojen tunkeutumissyvyys jne.).

Kuitenkin käy ilmi, että kun otetaan huomioon kaikki erilaiset ilmiöt, joita esiintyy orgaanisissa ja epäorgaanisissa materiaaleissa elävässä ja elottomassa luonnossa, arvo d* on noin 1-100 nm. Siten "nanoobjekti" ("nanorakenne", "nanohiukkanen") on yksinkertaisesti toinen muunnelma termin "kvanttiulotteinen rakenne" -sanasta. Tämä on esine, joka d ≤ d* ainakin yhdessä ulottuvuudessa. Nämä ovat hiukkasia, joiden ulottuvuus on pienentynyt, hiukkasia, joissa on lisääntynyt pintaatomien osuus. Tämä tarkoittaa, että on loogisinta luokitella ne ulottuvuuden pienenemisen asteen mukaan: 2D - kvanttitasot, 1D - kvanttilangat, 0D - kvanttipisteet.

Koko pienentyneiden mittojen kirjo voidaan helposti selittää ja mikä tärkeintä, havainnoida kokeellisesti käyttämällä hiilinanohiukkasten esimerkkiä.

Hiilen nanorakenteiden löytäminen oli erittäin tärkeä virstanpylväs nanohiukkaskonseptin kehittämisessä.

Hiili on vasta yhdestoista runsain alkuaine luonnossa, mutta sen atomien ainutlaatuisen kyvyn ansiosta yhdistyä keskenään ja muodostaa pitkiä molekyylejä, jotka sisältävät muita alkuaineita substituentteina, syntyi valtava valikoima orgaanisia yhdisteitä ja jopa itse elämä. Mutta jopa vain itsensä kanssa yhdistettäessä hiili pystyy muodostamaan suuren joukon erilaisia ​​rakenteita, joilla on hyvin erilaisia ​​ominaisuuksia - niin sanottuja allotrooppisia modifikaatioita. Esimerkiksi timantti on läpinäkyvyyden ja kovuuden standardi, eriste ja lämmöneriste. Grafiitti on kuitenkin ihanteellinen valon "absorber", ultrapehmeä materiaali (tiettyyn suuntaan), yksi parhaista lämmön ja sähkön johtimista (yllä olevaan suuntaan nähden kohtisuorassa tasossa). Mutta nämä molemmat materiaalit koostuvat vain hiiliatomeista!

Mutta kaikki tämä on makrotasolla. Ja siirtyminen nanotasolle avaa hiilen uusia ainutlaatuisia ominaisuuksia. Kävi ilmi, että hiiliatomien "rakkaus" toisiaan kohtaan on niin suuri, että ne voivat ilman muiden alkuaineiden osallistumista muodostaa koko joukon nanorakenteita, jotka eroavat toisistaan, myös kooltaan. Näitä ovat fullereenit, grafeeni, nanoputket, nanokonit jne. (Kuva 5).

Huomattakoon, että hiilen nanorakenteita voidaan kutsua "oikeiksi" nanohiukkasiksi, koska niissä, kuten kuvasta 2 selvästi voidaan nähdä. 5, kaikki niiden muodostavat atomit sijaitsevat pinnalla.

Mutta palataanpa itse grafiittiin. Grafiitti on siis yleisin ja termodynaamisesti stabiili alkuainehiilen muunnos, jolla on kolmiulotteinen kiderakenne, joka koostuu rinnakkaisista atomikerroksista, joista jokainen on tiivis kuusikulmioiden tiiviste (kuva 6). Minkä tahansa tällaisen kuusikulmion kärjessä on hiiliatomi, ja kuusikulmioiden sivut heijastavat graafisesti vahvoja kovalenttisia sidoksia hiiliatomien välillä, joiden pituus on 0,142 nm. Mutta kerrosten välinen etäisyys on melko suuri (0,334 nm), ja siksi kerrosten välinen yhteys on melko heikko (tässä tapauksessa puhutaan van der Waalsin vuorovaikutuksesta).

Tämä kiderakenne selittää grafiitin fysikaalisten ominaisuuksien erityispiirteet. Ensinnäkin alhainen kovuus ja kyky helposti erottua pieniksi hiutaleiksi. Joten esimerkiksi kirjoitetaan lyijykynällä, jonka grafiittihiutaleet jäävät irti paperille. Toiseksi jo mainittu grafiitin fysikaalisten ominaisuuksien ja ennen kaikkea sen sähkönjohtavuuden ja lämmönjohtavuuden selvä anisotropia.

Mitä tahansa grafiitin kolmiulotteisen rakenteen kerrosta voidaan pitää jättimäisenä tasomaisena rakenteena, jolla on 2D-ulottuvuus. Tätä kaksiulotteista rakennetta, joka on rakennettu vain hiiliatomeista, kutsutaan "grafeeniksi". Tällaisen rakenteen saaminen on "suhteellisen" helppoa, ainakin ajatuskokeessa. Otetaan grafiittikynälyijy ja aloitetaan kirjoittaminen. Johdon korkeus d vähenee. Jos sinulla on tarpeeksi kärsivällisyyttä, niin jossain vaiheessa arvo d tulee olemaan yhtä suuri kuin d*, ja saamme kvanttitason (2D).

Pitkän aikaa tasaisten kaksiulotteisten rakenteiden stabiilisuus vapaassa tilassa (ilman substraattia) yleensä ja erityisesti grafeeni sekä grafeenin elektroniset ominaisuudet olivat vain teoreettisten tutkimusten kohteena. Äskettäin, vuonna 2004, A. Geimin ja K. Novoselovin johtama fyysikkojen ryhmä sai ensimmäiset grafeeninäytteet, jotka mullistavat tämän kentän, koska tällaiset kaksiulotteiset rakenteet osoittautuivat erityisesti kykeneviksi esittelemään hämmästyttäviä elektronisia ominaisuuksia. ominaisuuksia, jotka eroavat laadullisesti kaikista aiemmin havaituista. Siksi nykyään sadat koeryhmät tutkivat grafeenin elektronisia ominaisuuksia.

Jos rullaamme paksuudeltaan yksiatomisen grafeenikerroksen sylinteriksi niin, että hiiliatomien kuusikulmainen verkosto sulkeutuu ilman saumoja, niin "rakennamme" yksiseinäinen hiilinanoputki. Kokeellisesti on mahdollista saada yksiseinäisiä nanoputkia, joiden halkaisija on 0,43 - 5 nm. Nanoputkien geometrialle ominaisia ​​piirteitä ovat ominaispinta-alan ennätysarvot (yksiseinämäisille putkille keskimäärin ~1600 m 2 /g) ja pituus-halkaisijasuhde (100 000 ja enemmän). Siten nanoputket ovat 1D-nanoobjekteja - kvanttilankoja.

Kokeissa havaittiin myös moniseinäisiä hiilinanoputkia (kuva 7). Ne koostuvat toisiinsa upotetuista koaksiaalisista sylintereistä, joiden seinämät ovat etäisyydellä (noin 3,5 Å) lähellä tasojen välistä etäisyyttä grafiitissa (0,334 nm). Seinien lukumäärä voi vaihdella 2:sta 50:een.

Jos asetamme palan grafiittia inertin kaasun (heliumin tai argonin) ilmakehään ja sitten valaisemme sen voimakkaan pulssilaserin säteellä tai väkevällä auringonvalolla, voimme haihduttaa grafiittikohteen materiaalin (huomaa, että tätä varten tavoitepinnan lämpötilan on oltava vähintään 2700 °C) . Tällaisissa olosuhteissa kohdepinnan yläpuolelle muodostuu plasma, joka koostuu yksittäisistä hiiliatomeista, jotka jäävät kylmän kaasun virtauksen mukana, mikä johtaa plasman jäähtymiseen ja hiiliklustereiden muodostumiseen. Joten käy ilmi, että tietyissä klusterointiolosuhteissa hiiliatomit ovat suljettuja muodostaen rungon pallomaisen molekyylin C60, jonka mitat ovat 0D (eli kvanttipiste), joka on jo esitetty kuvassa 1. 1.

Tällainen C60-molekyylin spontaani muodostuminen hiiliplasmassa havaittiin G. Kroton, R. Curlin ja R. Smoleyn yhteisessä kokeessa, joka suoritettiin kymmenen päivän ajan syyskuussa 1985. Ohjaamme uteliaan lukijan E. A. kirjaan. Katz "Fullereenit, hiilinanoputket ja nanoklusterit: muotojen ja ideoiden sukututkimus", joka kuvaa yksityiskohtaisesti tämän löydön kiehtovaa historiaa ja sitä edeltäneitä tapahtumia (lyhyillä retkillä tieteen historiaan aina renessanssiin ja jopa antiikin aikaan), kuten sekä selittää motivaatiota sille, mikä on outoa ensi silmäyksellä (ja vain ensi silmäyksellä) uuden molekyylin nimille - buckminsterfullerene - arkkitehti R. Buckminster Fullerin kunniaksi (ks. myös kirja [Piotrovsky, Kiselev, 2006]).

Myöhemmin havaittiin, että hiilimolekyylejä on kokonainen perhe - fullereenit - kupera polyhedra, joka koostuu vain kuusikulmaisista ja viisikulmaisista pinnoista (kuva 8).

Juuri fullereenien löytö oli eräänlainen maaginen "kultainen avain" puhtaasta hiilestä valmistettujen nanometrirakenteiden uuteen maailmaan ja aiheutti räjähdysmäisen työn tällä alueella. Tähän mennessä on löydetty suuri määrä erilaisia ​​hiiliklustereita, joilla on fantastinen (sanan kirjaimellisessa merkityksessä!) monimuotoisuus rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan.

Mutta palataanpa nanomateriaaleihin.

Nanomateriaalit ovat materiaaleja, joiden rakenneyksiköt ovat nanoobjekteja (nanohiukkasia). Kuvaannollisesti sanottuna nanomateriaalien rakentaminen on tehty tiilistä-nanoobjekteista. Siksi on tuottavinta luokitella nanomateriaalit sekä itse nanomateriaalinäytteen mittojen (matriisin ulkomittojen) että sen muodostavien nanoobjektien mittojen mukaan. Yksityiskohtaisin tällainen luokittelu on esitetty työssä. Tässä työssä esitellyt 36 nanorakenteiden luokkaa kuvaavat kaikenlaisia ​​nanomateriaaleja, joista osa (kuten edellä mainitut fullereenit tai hiilinanoherneet) on jo syntetisoitu onnistuneesti ja osa odottaa vielä kokeellista toteutustaan.

Miksi se ei ole niin yksinkertaista?

Voimme siis määritellä tiukasti meitä kiinnostavat käsitteet "nanotiede", "nanoteknologia" ja "nanomateriaalit" vain, jos ymmärrämme, mikä "nanoobjekti" on.

"Nanoobjektilla" puolestaan ​​on kaksi määritelmää. Ensimmäinen, yksinkertaisempi (teknologinen): nämä ovat esineitä (hiukkasia), joilla on ominaiskoko suunnilleen 1–100 nanometriä ainakin yhdessä ulottuvuudessa. Toinen määritelmä, tieteellisempi, fyysinen: esine, jolla on pienempi ulottuvuus (joka d ≤ d* ainakin yhdessä ulottuvuudessa).

Sikäli kuin tiedämme, muita määritelmiä ei ole.

Ei voi kuitenkaan olla huomaamatta sitä tosiasiaa, että tieteellisellä määritelmällä on myös vakava haittapuoli. Nimittäin: siinä, toisin kuin teknologisessa, määritetään vain nanokokojen yläraja. Pitäisikö olla alaraja? Meidän mielestämme tietysti pitäisi. Ensimmäinen syy alarajan olemassaoloon seuraa suoraan nanoobjektin tieteellisen määritelmän fysikaalisesta olemuksesta, koska suurin osa edellä käsitellyistä ulottuvuuksia vähentävistä vaikutuksista on kvanttirajoituksen vaikutuksia tai resonanssiluonteisia ilmiöitä. Toisin sanoen niitä havaitaan, kun efektin ominaispituudet ja kohteen mitat ovat samat, eli ei vain d ≤ d*, josta on jo keskusteltu, mutta samalla vain jos koko d ylittää tietyn alarajan d** (d** ≤ d ≤ d*). On selvää, että arvo d* voi vaihdella eri ilmiöiden mukaan, mutta sen on ylitettävä atomien koko.

Havainnollistetaan tätä käyttämällä esimerkkiä hiiliyhdisteistä. Polysykliset aromaattiset hiilivedyt (PAH), kuten naftaleeni, bentspyreeni, kryseeni jne. ovat muodollisesti grafeenin analogeja. Lisäksi suurimmalla tunnetulla PAH:lla on yleinen kaava C222H44 ja se sisältää 10 diagonaalista bentseenirengasta. Niillä ei kuitenkaan ole hämmästyttäviä ominaisuuksia, joita grafeenilla on, eikä niitä voida pitää nanohiukkasina. Sama koskee nanotimantteja: ~ 4-5 nm asti nämä ovat nanotimantteja, mutta lähellä näitä rajoja ja jopa niiden yli korkeammat diamandoidit (adamantaanin analogit, joissa rakenteen perustana on kondensoituneet timanttisolut) sopivat.

Joten: jos rajassa kohteen koko kaikissa kolmessa ulottuvuudessa on yhtä suuri kuin atomin koko, niin esimerkiksi sellaisista 0-ulotteisista esineistä koostuva kide ei ole nanomateriaali, vaan tavallinen atomikide. Se on ilmeistä. On myös selvää, että nanoobjektin atomien lukumäärän on silti oltava suurempi kuin yksi. Jos nanoobjektilla on kaikki kolme arvoa d vähemmän kuin d**, hän lakkaa olemasta yksi. Tällainen kohde on kuvattava yksittäisten atomien kuvauksen kielellä.

Entä jos eivät kaikki kolme kokoa, vaan esimerkiksi vain yksi? Pysyykö tällainen esine nanoobjektina? Tietysti kyllä. Tällainen esine on esimerkiksi jo mainittu grafeeni. Se, että grafeenin tyypillinen koko yhdessä ulottuvuudessa on yhtä suuri kuin hiiliatomin halkaisija, ei poista siltä nanomateriaalin ominaisuuksia. Ja nämä ominaisuudet ovat täysin ainutlaatuisia. Atomipaksuisissa grafeenikalvoissa mitattiin johtavuus, Shubnikov-de Haas-ilmiö ja kvantti-Hall-ilmiö. Kokeet ovat vahvistaneet, että grafeeni on puolijohde, jonka kaistaväli on nolla, kun taas valenssikaistan ja johtavuuskaistan kosketuspisteissä elektronien ja reikien energiaspektri on lineaarinen aaltovektorin funktiona. Hiukkasilla, joiden tehollinen massa on nolla, erityisesti fotoneilla, neutriinoilla ja relativistisilla hiukkasilla on tällainen spektri. Ero fotonien ja massattomien kantajien välillä grafeenissa on, että jälkimmäiset ovat fermioneja ja ne ovat varautuneita. Tällä hetkellä tunnetuista alkuainehiukkasista ei löydy analogeja näille massattomille varautuneille Dirac-fermioneille. Nykyään grafeeni on erittäin kiinnostava sekä monien kvanttielektrodynamiikan ja suhteellisuusteorian teoreettisten oletusten testaamiseen että uusien nanoelektronisten laitteiden, erityisesti ballististen ja yksielektronisten transistorien, luomiseen.

Keskustelumme kannalta on erittäin tärkeää, että lähimpänä nanoobjektin käsitettä on ulottuvuusalue, jossa ns. mesoskooppiset ilmiöt toteutuvat. Tämä on pienin mitta-alue, jolle on järkevää puhua ei yksittäisten atomien tai molekyylien ominaisuuksista, vaan materiaalin ominaisuuksista kokonaisuutena (esimerkiksi määritettäessä materiaalin lämpötilaa, tiheyttä tai johtavuutta). Mesoskooppiset mitat ovat täsmälleen välillä 1-100 nm. (Etuliite "meso-" tulee kreikan sanasta "keskiarvo", väli - atomi- ja makroskooppisten mittojen välillä.)

Kaikki tietävät, että psykologia käsittelee yksilöiden käyttäytymistä ja sosiologia suurten ihmisryhmien käyttäytymistä. Joten suhteita 3-4 hengen ryhmässä voidaan luonnehtia analogisesti mesoilmiöiksi. Samalla tavalla, kuten edellä mainittiin, pieni joukko atomeja on jotain, joka ei ole kuin atomikasa eikä yksittäinen atomi.

Tässä on huomattava toinen tärkeä nanoobjektien ominaisuuksien piirre. Huolimatta siitä, että toisin kuin grafeeni, hiilinanoputket ja fullereenit ovat muodollisesti 1- ja 0-ulotteisia esineitä, tämä ei ole pohjimmiltaan täysin totta. Tai pikemminkin ei niin samaan aikaan. Tosiasia on, että nanoputki on sama 2D-grafeenimonatomikerros, joka on rullattu sylinteriin. Fullereeni on yksiatomin paksuinen 2D-hiilikerros, joka on suljettu pallon pinnalla. Toisin sanoen nanoobjektien ominaisuudet riippuvat merkittävästi paitsi niiden koosta, myös topologisista ominaisuuksista - yksinkertaisesti sanottuna niiden muodosta.

Joten nanoobjektin oikean tieteellisen määritelmän tulisi olla seuraava:

Lainata:

on kohde, jonka vähintään yksi mitat ovat ≤ d*, ja ainakin yksi mitoista on suurempi kuin d**. Toisin sanoen esine on riittävän suuri aineen makro-ominaisuudet, mutta samalla sille on tunnusomaista pienentynyt mitta, eli se on ainakin yhdessä mitassa tarpeeksi pieni, jotta näiden arvot ominaisuudet eroavat suuresti samasta aineesta peräisin olevien makroobjektien vastaavista ominaisuuksista, jotka riippuvat merkittävästi kohteen koosta ja muodosta. Tässä tapauksessa mittojen d tarkat arvot*ja d** voivat vaihdella paitsi aineittain myös saman aineen eri ominaisuuksien osalta.

Se tosiasia, että nämä pohdinnat eivät suinkaan ole scholastisia (kuten "kuinka monella hiekkajyvällä kasa alkaa?"), vaan niillä on syvä merkitys tieteen yhtenäisyyden ja ympärillämme olevan maailman jatkuvuuden ymmärtämiselle, tulee ilmeiseksi, jos kiinnitämme huomiomme orgaanista alkuperää oleviin nano-objekteihin.

Orgaanisen luonnon nanoobjektit - supramolekyyliset rakenteet

Yllä tarkastelimme vain epäorgaanisia, suhteellisen homogeenisia materiaaleja, ja jo siellä kaikki ei ollut niin yksinkertaista. Mutta maan päällä on valtava määrä ainetta, joka ei ole vain vaikeaa, mutta jota ei voida kutsua homogeeniseksi. Puhumme biologisista rakenteista ja elävästä aineesta yleensä.

National Nanotechnology Initiative mainitsee seuraavan yhtenä syynä erityiseen kiinnostukseen nanomittakaavan aluetta kohtaan:

Lainata:

Koska aineen systeeminen organisoituminen nanomittakaavassa on biologisten järjestelmien keskeinen piirre, nanotiede ja teknologia mahdollistavat keinotekoisten komponenttien ja kokoonpanojen sisällyttämisen soluihin, jolloin syntyy uusia rakenteellisesti organisoituneita materiaaleja, jotka perustuvat luonnossa tapahtuvien itsekokoamismenetelmien jäljittelyyn.

Yritetään nyt ymmärtää, mikä merkitys "nanosoinnin" käsitteellä on sen soveltamisessa biologiaan, pitäen mielessä, että tähän kokoluokkaan siirryttäessä ominaisuuksien täytyy muuttua perusteellisesti tai dramaattisesti. Mutta ensin muistetaan, että nanoaluetta voidaan lähestyä kahdella tavalla: "ylhäältä alas" (fragmentointi) tai "alhaalta ylös" (synteesi). Joten biologian "alhaalta ylös" -liike ei ole muuta kuin biologisesti aktiivisten kompleksien muodostumista yksittäisistä molekyyleistä.

Tarkastellaanpa lyhyesti kemiallisia sidoksia, jotka määräävät molekyylin rakenteen ja muodon. Ensimmäinen ja vahvin on kovalenttinen sidos, jolle on ominaista tiukka suunta (vain yhdestä atomista toiseen) ja tietty pituus, joka riippuu sidoksen tyypistä (yksi-, kaksois-, kolmoissidos jne.). Atomien väliset kovalenttiset sidokset määräävät minkä tahansa molekyylin "primäärirakenteen", eli mitkä atomit ovat yhteydessä toisiinsa ja missä järjestyksessä.

Mutta on myös muita sidoksia, jotka määräävät sen, mitä kutsutaan molekyylin toissijaiseksi rakenteeksi, sen muodoksi. Tämä on ensisijaisesti vetysidos - sidos polaarisen atomin ja vetyatomin välillä. Se on lähinnä kovalenttista sidosta, koska sille on ominaista myös tietty pituus ja suunta. Tämä sidos on kuitenkin heikko, sen energia on suuruusluokkaa pienempi kuin kovalenttisen sidoksen energia. Muut vuorovaikutustyypit ovat suuntaamattomia, ja niille ei ole ominaista muodostuneiden sidosten pituus, vaan nopeus, jolla sidosenergia pienenee vuorovaikutuksessa olevien atomien välisen etäisyyden kasvaessa (pitkän kantaman vuorovaikutus). Ionisidos on pitkän kantaman vuorovaikutus; van der Waalsin vuorovaikutus on lyhyt. Joten jos kahden hiukkasen välinen etäisyys kasvaa r kertaa, silloin ionisidoksen tapauksessa vetovoima pienenee 1/ r 2 alkuarvosta, jo mainitun van der Waalsin vuorovaikutuksen tapauksessa - 1/ r 3 tai enemmän (jopa 1/ r 12). Kaikki nämä vuorovaikutukset voidaan yleensä määritellä molekyylien välisiksi vuorovaikutuksiksi.

Tarkastellaan nyt tällaista käsitettä "biologisesti aktiivisena molekyylinä". On ymmärrettävä, että aineen molekyyli itsessään kiinnostaa vain kemistejä ja fyysikoita. He ovat kiinnostuneita sen rakenteesta ("primäärirakenne"), sen muodosta ("sekundaarirakenne"), sellaisista makroskooppisista indikaattoreista kuin esimerkiksi aggregaatiotilasta, liukoisuudesta, sulamis- ja kiehumispisteistä jne. sekä mikroskooppisista (elektroniset vaikutukset ja atomien keskinäinen vaikutus tietyssä molekyylissä, spektriominaisuudet näiden vuorovaikutusten ilmentymänä). Toisin sanoen puhumme yhden molekyylin periaatteessa osoittamien ominaisuuksien tutkimisesta. Muistakaamme, että määritelmän mukaan molekyyli on aineen pienin hiukkanen, joka kantaa sen kemiallisia ominaisuuksia.

Biologian näkökulmasta "eristetty" molekyyli (tässä tapauksessa ei ole väliä onko se yksi molekyyli vai useita identtisiä molekyylejä) ei pysty osoittamaan mitään biologisia ominaisuuksia. Tämä väitöskirja kuulostaa varsin paradoksaalselta, mutta yritetään perustella se.

Tarkastellaan tätä esimerkkiä entsyymeistä - proteiinimolekyylistä, jotka ovat biokemiallisia katalyyttejä. Esimerkiksi entsyymi hemoglobiini, joka varmistaa hapen siirtymisen kudoksiin, koostuu neljästä proteiinimolekyylistä (alayksiköstä) ja yhdestä ns. proteettisesta ryhmästä - hemistä, joka sisältää rautaatomin, joka ei ole kovalenttisesti sitoutunut hemoglobiinin proteiinialayksikköihin.

Pääasiallinen, tai pikemminkin ratkaiseva osuus proteiinin alayksiköiden ja hemin vuorovaikutuksessa, vuorovaikutuksessa, joka johtaa supramolekulaarisen kompleksin, jota kutsutaan hemoglobiiniksi, muodostumiseen ja stabiilisuuteen, syntyy voimista, joita joskus kutsutaan hydrofobisiksi vuorovaikutuksiksi, mutta jotka edustavat molekyylien välisiä voimia. vuorovaikutusta. Näiden voimien muodostamat sidokset ovat paljon heikompia kuin kovalenttiset. Mutta komplementaarisessa vuorovaikutuksessa, kun kaksi pintaa tulevat hyvin lähelle toisiaan, näiden heikkojen sidosten määrä on suuri, ja siksi molekyylien kokonaisvuorovaikutusenergia on melko korkea ja tuloksena oleva kompleksi on melko stabiili. Mutta ennen kuin nämä sidokset muodostuvat neljän alayksikön välille, kunnes proteettinen ryhmä (jalokivi) on lisätty (jälleen ei-kovalenttisten sidosten vuoksi), hemoglobiinin yksittäiset osat eivät voi missään olosuhteissa sitoa happea, saati kuljettaa sitä minnekään. Ja siksi heillä ei ole tätä biologista aktiivisuutta. (Sama päättely voidaan laajentaa kaikkiin entsyymeihin yleensä.)

Lisäksi katalyysiprosessi itsessään merkitsee vähintään kahden komponentin - itse katalyytin ja molekyylin (molekyylien) muodostumista reaktion aikana, joita kutsutaan substraateiksi ja joissa tapahtuu jonkinlainen kemiallinen muutos katalyytin vaikutuksesta. . Toisin sanoen täytyy muodostaa vähintään kahden molekyylin kompleksi, ts. supramolekulaarinen (supramolekulaarinen) kompleksi.

Ajatuksen täydentävästä vuorovaikutuksesta ehdotti ensimmäisenä E. Fischer selittääkseen lääkkeiden vuorovaikutusta niiden kohteen kanssa kehossa, ja sitä kutsuttiin "lukitusavaimeksi". Vaikka lääkkeet (ja muut biologiset aineet) eivät kaikissa tapauksissa ole entsyymejä, ne voivat myös aiheuttaa biologisia vaikutuksia vasta vuorovaikutuksessa vastaavan biologisen kohteen kanssa. Ja tällainen vuorovaikutus taas ei ole muuta kuin supramolekyylisen kompleksin muodostumista.

Näin ollen pohjimmiltaan uusien ominaisuuksien ilmentyminen "tavallisilla" molekyyleillä (tarkasteltavana olevassa tapauksessa biologinen aktiivisuus) liittyy supramolekulaaristen (supramolekulaaristen) kompleksien muodostumiseen muiden molekyylien kanssa johtuen molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimista. Juuri tällä tavalla useimmat kehon entsyymit ja järjestelmät rakentuvat (reseptorit, kalvot jne.), mukaan lukien sellaiset monimutkaiset rakenteet, joita joskus kutsutaan biologisiksi "koneiksi" (ribosomit, ATPaasi jne.). Ja tämä tapahtuu juuri tasolla nanometrin koot - yhdestä useisiin kymmeniin nanometriin.

Monimutkaistuessa ja koon kasvaessa (yli 100 nm), eli siirryttäessä toiselle ulottuvuustasolle (mikrotasolle), syntyy paljon monimutkaisempia järjestelmiä, jotka kykenevät paitsi itsenäiseen olemassaoloon ja vuorovaikutukseen (erityisesti energianvaihtoon) ympäristön kanssa ympäristöön, vaan myös itsensä lisääntymiseen. Toisin sanoen koko järjestelmän ominaisuudet muuttuvat jälleen - siitä tulee niin monimutkainen, että se pystyy jo itse lisääntymään, ja syntyy, mitä kutsumme eläviksi rakenteiksi.

Monet ajattelijat ovat toistuvasti yrittäneet määritellä Elämän. Menemättä filosofisiin keskusteluihin panemme merkille, että mielestämme elämä on itseään uusiutuvien rakenteiden olemassaoloa ja elävät rakenteet alkavat yhdestä solusta. Elämä on mikro- ja makroskooppinen ilmiö, mutta tärkeimmät elävien järjestelmien toiminnan varmistavat prosessit tapahtuvat nanomittakaavan tasolla.

Elävän solun toiminta integroituna itsesäätelylaitteena, jolla on selkeä rakenteellinen hierarkia, varmistetaan nanomittakaavan tason miniatyrisoinnilla. On selvää, että nanomittakaavan tason miniatyrisointi on biokemian perusominaisuus, ja siksi elämän evoluutio koostuu erilaisten nanorakenteisten esineiden syntymisestä ja integroinnista. Rakenteellisen hierarkian nanomittakaavainen osa, jonka koko on rajoitettu sekä ylä- että alapuolelta (!), on kriittinen solujen ulkonäön ja olemassaolon kannalta. Toisin sanoen nanomittakaavan taso edustaa siirtymistä molekyylitasolta elävälle tasolle.

Koska miniatyrisointi nanomittakaavan tasolla on kuitenkin biokemian perusominaisuus, on silti mahdotonta pitää mitään biokemiallisia manipulaatioita nanoteknologisina - nanoteknologiaan kuuluu edelleen suunnittelu, ei molekyylien ja hiukkasten banaalista käyttöä.

Johtopäätös

Artikkelin alussa yritimme jo jotenkin luokitella eri luonnontieteiden esineet tutkittavien esineiden ominaiskoon periaatteen mukaan. Palataan vielä tähän ja tätä luokittelua sovellettaessa huomaamme, että atomifysiikka, joka tutkii vuorovaikutuksia atomin sisällä, on subangstrom- (femto- ja piko-) kokoisia.

"Tavallinen" epäorgaaninen ja orgaaninen kemia ovat angstrom-kokoja, yksittäisten molekyylien tai sidosten tasoa epäorgaanisten aineiden kiteissä. Mutta biokemia on nanokoon taso, ei-kovalenttisten molekyylien välisten voimien stabiloimien supramolekyylirakenteiden olemassaolon ja toiminnan taso.

Mutta biokemialliset rakenteet ovat edelleen suhteellisen yksinkertaisia, ja ne voivat toimia suhteellisen itsenäisesti ( in vitro, jos pidät). Lisäkomplikaatio, monimutkaisten ryhmien muodostuminen supramolekyylisten rakenteiden avulla - tämä on siirtymä itseään toistuviin rakenteisiin, siirtyminen elävään. Ja täällä, solujen tasolla, nämä ovat mikrokokoja, ja organismien tasolla nämä ovat makrokokoja. Tämä on jo biologiaa ja fysiologiaa.

Nanotaso on siirtymäalue molekyylitasolta, joka muodostaa kaiken olennon olemassaolon perustan, joka koostuu molekyyleistä, elävän tasolle, itseään lisääntyvien rakenteiden ja nanohiukkasten olemassaolon tasolle, jotka ovat supramolekyylisiä. molekyylien välisten vuorovaikutusvoimien stabiloimat rakenteet edustavat siirtymämuotoa yksittäisistä molekyyleistä monimutkaisiin toiminnallisiin järjestelmiin. Tämä voidaan heijastaa kaaviossa, joka korostaa erityisesti luonnon jatkuvuutta (kuva 9). Kaaviossa nanomittakaavainen maailma sijaitsee atomi-molekyylimaailman ja Elävien maailman välissä, joka koostuu samoista atomeista ja molekyyleistä, mutta on organisoitunut monimutkaisiin itseään toistuviin rakenteisiin, ja siirtyminen maailmasta toiseen ei määräydy. vain (eikä niinkään) rakenteiden koon, vaan niiden monimutkaisuuden perusteella. Luonto on pitkään keksinyt ja käyttää supramolekulaarisia rakenteita elävissä järjestelmissä. Emme aina pysty ymmärtämään, saati toistamaan, mitä luonto tekee helposti ja luonnollisesti. Mutta et voi odottaa palveluksia häneltä, sinun on opittava häneltä.

Levon Borisovich Piotrovsky,
Venäjän lääketieteen akatemian kokeellisen lääketieteen tutkimuslaitoksen luoteisosasto, Pietari
Jevgeni Adolfovitš Kats,
Yliopisto nimetty Ben Gurion Negevissä, Israelissa

Pituus- ja etäisyysmuunnin Massamuunnin Bulkkituotteiden ja elintarvikkeiden tilavuusmittausten muunnin Pinta-alamuunnin Kulinaaristen reseptien tilavuuden ja mittayksiköiden muuntaja Lämpötilamuunnin Paineen, mekaanisen rasituksen, Youngin moduulin muunnin Energian ja työn muuntaja Tehon muunnin Voiman muunnin Ajanmuunnin Lineaarinen nopeusmuunnin Tasakulmamuunnin lämpöhyötysuhteen ja polttoainetehokkuuden muuntaja Eri numerojärjestelmien lukujen muuntaja Tiedon määrän mittayksiköiden muuntaja Valuuttakurssit Naisten vaatteet ja kenkäkoot Miesten vaatteet ja kenkäkoot Kulmanopeus- ja pyörimistaajuusmuuttaja Kiihtyvyysmuunnin Kulmakiihtyvyysmuunnin Tiheysmuunnin Ominaistilavuuden muunnin Hitausmomenttimuunnin Voiman momenttimuunnin Momentinmuunnin Ominaislämpö muunnin (massan mukaan) Muuntimen energiatiheys ja ominaislämpö (tilavuuden mukaan) Lämpölaajenemismuuntimen kerroin Lämpövastusmuunnin Lämmönjohtavuusmuunnin Ominaislämpökapasiteetin muunnin Energiaaltistuksen ja lämpösäteilyn tehomuunnin Lämpövuon tiheysmuunnin Lämmönsiirtokertoimen muunnin Tilavuusvirtamuunnin Massavirtauksen muunnin Molaarivirtauksen muuntaja Massavirtauksen tiheyden muunnin Molaarikonsentraatiomuunnin Liuoksen massakonsentraatio Dynaaminen (absoluuttinen) viskositeettimuunnin Kinemaattinen viskositeettimuunnin Pintajännitysmuunnin Höyrynläpäisevyyden muunnin Höyrynläpäisevyyden ja höyrynsiirtonopeuden muunnin Äänitasomuunnin Mikrofonin herkkyysmuunnin Äänenpainetason (SPL) muunnin Äänenpainetason muunnin valittavissa olevalla vertailupaineen luminanssin muuntimella Valonvoimakkuuden muunnin Valonvoimakkuuden resoluutiomuunnin I Taajuus- ja aallonpituusmuunnin Diopteriteho ja polttopituus Diopteriteho ja linssin suurennus (×) Sähkövarausmuunnin Lineaarinen varaustiheysmuunnin Pintavaraustiheyden muunnin Tilavuusvaraustiheyden muunnin Sähkövirtamuunnin Lineaarisen virrantiheyden muuntaja Pintavirrantiheysmuunnin Sähkökentänvoimakkuuden muunnin Sähköstaattinen potentiaali ja jännitteenmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkönjohtavuusmuunnin Sähkönjohtavuuden muuntaja Sähkökapasitanssi Induktanssimuunnin Amerikkalainen lankamittarin muunnin Tasot dBm (dBm tai dBm), dBV (dBV), watteina jne. yksiköt Magnetomotorinen voimamuunnin Magneettikentän voimakkuusmuunnin Magneettivuon muunnin Magneettiinduktiomuunnin Säteily. Ionisoivan säteilyn absorboitunut annosnopeusmuunnin Radioaktiivisuus. Radioaktiivinen hajoamismuunnin Säteily. Altistuksen annoksen muuntaja Säteily. Absorboitunut annosmuunnin Desimaalietuliitemuunnin Tiedonsiirto Typografia- ja kuvankäsittelyyksikkömuunnin Puun tilavuusyksikkömuunnin Moolimassan laskenta Kemiallisten alkuaineiden jaksollinen taulukko, D. I. Mendeleev

1 milli [m] = 1000 mikro [µ]

Alkuarvo

Muunnettu arvo

ilman etuliitettä yotta zetta exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci santi milli mikro nano pico femto atto zepto yocto

Metrijärjestelmä ja kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI)

Johdanto

Tässä artikkelissa puhumme metrijärjestelmästä ja sen historiasta. Näemme, miten ja miksi se alkoi ja kuinka se vähitellen kehittyi sellaiseksi, mitä meillä on tänään. Tarkastellaan myös SI-järjestelmää, joka on kehitetty metrisestä mittajärjestelmästä.

Esivanhemmillemme, jotka elivät maailmassa, joka on täynnä vaaroja, kyky mitata erilaisia ​​määriä luonnollisessa elinympäristössään mahdollisti sen, että he pääsivät lähemmäksi luonnonilmiöiden olemuksen ymmärtämistä, ymmärrystä ympäristöstään ja kykyä jotenkin vaikuttaa ympäröivään. . Siksi ihmiset yrittivät keksiä ja parantaa erilaisia ​​mittausjärjestelmiä. Inhimillisen kehityksen kynnyksellä mittausjärjestelmä oli yhtä tärkeä kuin nykyään. Oli tarpeen suorittaa erilaisia ​​​​mittauksia, kun asuntorakentaminen, erikokoisten vaatteiden ompelu, ruoanlaitto ja tietysti kauppa ja vaihto eivät selvinneet ilman mittaamista! Monet uskovat, että kansainvälisen SI-yksikköjärjestelmän luominen ja käyttöönotto on paitsi tieteen ja teknologian, myös inhimillisen kehityksen vakavin saavutus.

Varhaiset mittausjärjestelmät

Varhaisissa mittaus- ja numerojärjestelmissä ihmiset käyttivät mittaamiseen ja vertailuun perinteisiä esineitä. Esimerkiksi uskotaan, että desimaalijärjestelmä ilmestyi, koska meillä on kymmenen sormea ​​ja varpaita. Kätemme ovat aina kanssamme - siksi ihmiset ovat muinaisista ajoista lähtien käyttäneet (ja käyttävät edelleen) sormia laskemiseen. Emme kuitenkaan ole aina käyttäneet laskentaan perus 10-järjestelmää, ja metrijärjestelmä on suhteellisen uusi keksintö. Jokainen alue kehitti omat yksikköjärjestelmänsä ja vaikka näillä järjestelmillä on paljon yhteistä, useimmat järjestelmät ovat silti niin erilaisia, että mittayksiköiden muuntaminen järjestelmästä toiseen on aina ollut ongelma. Tämä ongelma tuli yhä vakavammaksi eri kansojen välisen kaupan kehittyessä.

Ensimmäisten paino- ja mittajärjestelmien tarkkuus riippui suoraan niiden esineiden koosta, jotka ympäröivät näitä järjestelmiä kehittäviä ihmisiä. On selvää, että mittaukset olivat epätarkkoja, koska "mittauslaitteilla" ei ollut tarkkoja mittoja. Esimerkiksi kehon osia käytettiin yleisesti pituuden mittana; massa ja tilavuus mitattiin käyttämällä siementen ja muiden pienten esineiden tilavuutta ja massaa, joiden mitat olivat suunnilleen samat. Alla tarkastelemme lähemmin tällaisia ​​yksiköitä.

Pituus mitat

Muinaisessa Egyptissä pituus mitattiin ensin yksinkertaisesti kyynärpäät, ja myöhemmin kuninkaallisilla kyynärpäillä. Kyynärpään pituus määritettiin etäisyydeksi kyynärpään mutkasta ojennetun keskisormen päähän. Siten kuninkaallinen kyynärä määriteltiin hallitsevan faaraon kyynäräksi. Mallikyynärä luotiin ja asetettiin yleisön saataville, jotta jokainen voisi tehdä omat pituusmittansa. Tämä oli tietysti mielivaltainen yksikkö, joka muuttui, kun uusi hallitseva henkilö nousi valtaistuimelle. Muinainen Babylon käytti samanlaista järjestelmää, mutta pienillä eroilla.

Kyynärpää jaettiin pienempiin yksiköihin: kämmenelle, käsi, zerets(ft) ja sinä(sormi), joita edustivat vastaavasti kämmenen, käden (peukalon kanssa), jalan ja sormen leveydet. Samalla he päättivät sopia kuinka monta sormea ​​oli kämmenessä (4), kädessä (5) ja kyynärpäässä (28 Egyptissä ja 30 Babylonissa). Se oli kätevämpää ja tarkempaa kuin mittaussuhteiden joka kerta.

Massan ja painon mitat

Painomittaukset perustuivat myös eri esineiden parametreihin. Siemeniä, jyviä, papuja ja vastaavia käytettiin painomittareina. Klassinen esimerkki nykyäänkin käytetystä massayksiköstä on karaatti. Nykyään jalokivien ja helmien paino mitataan karaateissa, ja kerran johanneksenleipäpuun siementen, muuten johanneksenleipäpuun, paino määritettiin karaatteina. Puu on viljelty Välimerellä, ja sen siemenet erottuvat vakiomassastaan, joten niitä oli kätevä käyttää painon ja massan mittana. Eri paikoissa käytettiin erilaisia ​​siemeniä pieninä painoyksiköinä, ja suuremmat yksiköt olivat yleensä pienempien yksiköiden kerrannaisia. Arkeologit löytävät usein samanlaisia ​​suuria painoja, jotka on yleensä valmistettu kivestä. Ne koostuivat 60, 100 ja muista pienistä yksiköistä. Koska pienten asuntojen lukumäärälle ja painolle ei ollut yhtenäistä standardia, tämä johti ristiriitoihin, kun eri paikoissa asuvat myyjät ja ostajat kohtasivat.

Volyymimitat

Aluksi tilavuutta mitattiin myös pienillä esineillä. Esimerkiksi ruukun tai kannun tilavuus määritettiin täyttämällä se yläosaan pienillä esineillä suhteessa standarditilavuuteen - kuten siemenillä. Standardoinnin puute johti kuitenkin samoihin ongelmiin tilavuuden mittaamisessa kuin massan mittauksessa.

Erilaisten mittajärjestelmien kehitys

Antiikin Kreikan mittajärjestelmä perustui muinaiseen egyptiläiseen ja babylonialaiseen mittajärjestelmään, ja roomalaiset loivat järjestelmänsä muinaisen kreikkalaisen perusteella. Sitten tulen ja miekan ja tietysti kaupan kautta nämä järjestelmät levisivät kaikkialle Eurooppaan. On huomattava, että tässä puhumme vain yleisimmistä järjestelmistä. Mutta oli monia muita paino- ja mittajärjestelmiä, koska vaihto ja kauppa olivat välttämättömiä ehdottomasti kaikille. Jos alueella ei ollut kirjoituskieltä tai vaihdon tuloksia ei ollut tapana kirjata, voimme vain arvailla, kuinka nämä ihmiset mittasivat tilavuuden ja painon.

Mitta- ja painojärjestelmissä on monia alueellisia eroja. Tämä johtuu niiden itsenäisestä kehityksestä ja muiden järjestelmien vaikutuksesta niihin kaupan ja valloituksen seurauksena. Eri maissa oli erilaisia ​​järjestelmiä, ei vain eri maissa, vaan usein saman maan sisällä, jossa jokaisella kauppakaupungilla oli omansa, koska paikalliset hallitsijat eivät halunneet yhdistymistä säilyttääkseen valtansa. Matkailun, kaupan, teollisuuden ja tieteen kehittyessä monet maat pyrkivät yhtenäistämään paino- ja mittajärjestelmiä ainakin omissa maissaan.

Jo 1200-luvulla ja mahdollisesti aikaisemminkin tiedemiehet ja filosofit keskustelivat yhtenäisen mittausjärjestelmän luomisesta. Kuitenkin vasta Ranskan vallankumouksen ja sitä seuranneen Ranskan ja muiden Euroopan maiden, joilla oli jo omat paino- ja mittajärjestelmänsä, asuttaman maailman eri alueet, kehitettiin uusi järjestelmä, joka otettiin käyttöön useimmissa Euroopan maissa. maailman. Tämä uusi järjestelmä oli desimaalimetrijärjestelmä. Se perustui kantaan 10, eli millä tahansa fysikaalisella suurella oli yksi perusyksikkö ja kaikki muut yksiköt voitiin muodostaa normaalisti desimaalietuliitteillä. Jokainen tällainen murto- tai moninkertainen yksikkö voitaisiin jakaa kymmeneen pienempään yksikköön ja nämä pienemmät yksiköt puolestaan ​​10 vielä pienempään yksikköön ja niin edelleen.

Kuten tiedämme, useimmat varhaiset mittausjärjestelmät eivät perustuneet kantaan 10. 10-kantaisen järjestelmän mukavuus on, että meille tutulla numerojärjestelmällä on sama kanta, jonka avulla voimme tehdä nopeasti ja kätevästi yksinkertaisia ​​ja tuttuja sääntöjä , muuntaa pienemmistä yksiköistä suuriksi ja päinvastoin. Monet tiedemiehet uskovat, että kymmenen valinta lukujärjestelmän perustaksi on mielivaltaista ja liittyy vain siihen tosiasiaan, että meillä on kymmenen sormea ​​ja jos meillä olisi eri määrä sormia, käyttäisimme todennäköisesti erilaista numerojärjestelmää.

Metrijärjestelmä

Metrijärjestelmän alkuaikoina ihmisen valmistamia prototyyppejä käytettiin pituuden ja painon mittaina, kuten aikaisemmissakin järjestelmissä. Metrijärjestelmä on kehittynyt materiaalistandardeihin perustuvasta ja niiden tarkkuudesta riippuvaisesta järjestelmästä luonnonilmiöihin ja fysikaalisiin perusvakioihin perustuvaksi järjestelmäksi. Esimerkiksi aikayksikkö sekunti määriteltiin alun perin murto-osaksi trooppisesta vuodesta 1900. Tämän määritelmän haittana oli se, että tätä vakiota ei ollut mahdotonta kokeellisesti todentaa seuraavina vuosina. Siksi toinen määriteltiin uudelleen tietyksi määräksi säteilyjaksoja, jotka vastaavat cesium-133:n radioaktiivisen atomin, joka on levossa 0 K:ssa, perustilan kahden hyperhienon tason välistä siirtymää. Etäisyysyksikkö on metri. , liittyi isotoopin krypton-86 säteilyspektrin linjan aallonpituuteen, mutta myöhemmin Mittari määriteltiin uudelleen matkaksi, jonka valo kulkee tyhjiössä ajassa, joka on 1/299 792 458 sekuntia.

Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) luotiin metrijärjestelmän perusteella. On huomattava, että perinteisesti metrijärjestelmä sisältää massan, pituuden ja ajan yksiköt, mutta SI-järjestelmässä perusyksiköiden lukumäärä on laajennettu seitsemään. Keskustelemme niistä alla.

Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI)

Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) on seitsemän perusyksikköä perussuureiden (massa, aika, pituus, valovoima, ainemäärä, sähkövirta, termodynaaminen lämpötila) mittaamiseen. Tämä kilogramma(kg) mittaamaan massaa, toinen c) mitata aikaa, mittari m) mittaamaan etäisyyttä, candela cd) valovoiman mittaamiseen, mooli(lyhenne mol) mittaamaan aineen määrää, ampeeri(A) sähkövirran mittaamiseen ja kelvin(K) lämpötilan mittaamiseen.

Tällä hetkellä vain kilogrammalla on vielä ihmisen tekemä standardi, kun taas loput yksiköt perustuvat yleismaailmallisiin fyysisiin vakioihin tai luonnonilmiöihin. Tämä on kätevää, koska fyysiset vakiot tai luonnonilmiöt, joihin mittayksiköt perustuvat, voidaan helposti todentaa milloin tahansa; Lisäksi ei ole vaaraa standardien katoamisesta tai vahingoittumisesta. Standardeista ei myöskään tarvitse luoda kopioita niiden saatavuuden varmistamiseksi eri puolilla maailmaa. Tämä eliminoi virheet, jotka liittyvät fyysisten objektien kopioinnin tarkkuuteen, ja tarjoaa siten paremman tarkkuuden.

Desimaalietuliitteet

Muodostaakseen kerrannais- ja osakertoja, jotka eroavat SI-järjestelmän perusyksiköistä tietyllä kokonaisluvulla, joka on kymmenen potenssi, se käyttää perusyksikön nimeen liitettyjä etuliitteitä. Seuraavassa on luettelo kaikista tällä hetkellä käytetyistä etuliitteistä ja niiden edustamista desimaalitekijöistä:

Konsoli	Symboli	Numeerinen arvo; Pilkut erottavat tässä numeroryhmät, ja desimaalierotin on piste.	Eksponentiaalinen merkintä
yotta	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	10 24
zetta	Z	1 000 000 000 000 000 000 000	10 21
esim	E	1 000 000 000 000 000 000	10 18
peta	P	1 000 000 000 000 000	10 15
tera	T	1 000 000 000 000	10 12
giga	G	1 000 000 000	10 9
mega	M	1 000 000	10 6
kilo	Vastaanottaja	1 000	10 3
hehto	G	100	10 2
äänilevy	Joo	10	10 1
ilman etuliitettä		1	10 0
desi	d	0,1	10 -1
centi	Kanssa	0,01	10 -2
Milli	m	0,001	10 -3
mikro	mk	0,000001	10 -6
nano	n	0,000000001	10 -9
pico	P	0,000000000001	10 -12
femto	f	0,000000000000001	10 -15
atto	A	0,000000000000000001	10 -18
zepto	h	0,000000000000000000001	10 -21
yocto	Ja	0,000000000000000000000001	10 -24

Esimerkiksi 5 gigametriä vastaa 5 000 000 000 metriä, kun taas 3 mikrokandelaa on 0,000003 kandelaa. On mielenkiintoista huomata, että vaikka etuliite on yksikkökilogrammissa, se on SI:n perusyksikkö. Siksi yllä olevia etuliitteitä käytetään gramman kanssa ikään kuin se olisi perusyksikkö.

Tätä artikkelia kirjoitettaessa vain kolme maata ei ole ottanut käyttöön SI-järjestelmää: Yhdysvallat, Liberia ja Myanmar. Kanadassa ja Isossa-Britanniassa perinteiset yksiköt ovat edelleen laajalti käytössä, vaikka SI-järjestelmä on näissä maissa virallinen yksikköjärjestelmä. Riittää, kun mennään kauppaan ja katsotaan hintalappuja tavaroiden kilolta (se osoittautuu halvemmaksi!) tai yrittää ostaa rakennusmateriaaleja metreinä ja kilogrammoina mitattuna. Ei toimi! Puhumattakaan tavaroiden pakkauksista, joissa kaikki on merkitty grammoina, kilogrammoina ja litroina, mutta ei kokonaislukuina, vaan punnoiksi, unsseiksi, pinteiksi ja kvarteiksi muutettuina. Jääkaappien maitotila lasketaan myös puoligallonaa tai gallonaa kohti, ei litraa maitotölkkiä kohti.

Onko mittayksiköiden kääntäminen kielestä toiseen vaikeaa? Kollegat ovat valmiita auttamaan sinua. Lähetä kysymys TCTermsissä ja saat vastauksen muutamassa minuutissa.

Laskelmat yksiköiden muuntamiseksi muuntimessa " Desimaalietuliitemuunnin" suoritetaan unitconversion.org-funktioilla.