metrologia

Scienza che ha per oggetto lo studio delle questioni inerenti la misurazione delle grandezze fisiche. In essa pertanto rientrano i problemi relativi alla scelta dei sistemi di unità di misura (➔ unità), alla scelta delle grandezze fondamentali in ciascun sistema e dei corrispondenti campioni, la teoria degli errori, lo studio delle caratteristiche degli strumenti ecc. Tra i vari settori di attività della m., il settore generale tratta di problemi relativi a strumenti e metodi, curando fra l’altro problemi di terminologia; il settore legale tratta dei problemi relativi agli strumenti utilizzati nei rapporti commerciali (dal controllo delle bilance a quello dei misuratori dei tassi alcolimetrici delle bevande, dal controllo dei tassametri a quello dei misuratori di volume dei combustibili liquidi); il settore tecnico-scientifico tratta dei problemi relativi allo studio, alla produzione, alla diffusione dei campioni delle grandezze, fino al controllo dei prodotti industriali.

Istituti e convenzioni

Uffici e laboratori. - Data la grande importanza delle questioni metrologiche, nei vari paesi sono stati istituiti appositi uffici o laboratori statali per il loro studio. I principali tra essi sono il National physical laboratory a Teddington (Londra), il National bureau of standards and technology a Washington e la Physikalisch-technische Bundesanstalt a Braunschweig. In Italia, gli istituti preposti alle questioni metrologiche sono l’Istituto di m. G. Colonnetti e l’Istituto elettrotecnico nazionale G. Ferraris, entrambi con sede a Torino (➔ INRiM), e l’Istituto nazionale di m. delle radiazioni ionizzanti dell’ENEA, con sede a Roma.

La Convenzione del metro. - A livello internazionale, dal 1875, la Convenzione del metro raggruppa i paesi che cooperano nel campo della m.; i membri della Convenzione sono 51 (tra cui l’Italia e i paesi dell’Europa occidentale, gli USA, la Russia). La Convenzione ha istituito il Bureau international des poids et mesures, con sede a Sèvres, presso Parigi, e prevede la Conferenza generale dei pesi e delle misure con funzioni deliberanti nel campo delle definizioni metrologiche fondamentali; in questa sede è stata firmata a Sèvres nel 1921 la seconda convenzione metrica e, nel 1960, è stato adottato il sistema internazionale delle unità (SI).

In Europa.-  In Europa il coordinamento delle attività e dei servizi metrologici è realizzato da EURAMET (European Association of national Metrology institutes) succeduto nel 2007 a EUROMET (European collaboration in measurement standards), a sua volta costituito nel 1987 per trasformazione del WEMC (Western European Metrology Conference), organismo informale fondato nel 1973. Attraverso EURAMET vengono coordinate le attività tese a utilizzare le strutture (personale e mezzi) esistenti senza bisogno di creare un laboratorio europeo centralizzato; la cooperazione tra i diversi servizi ha portato all’armonizzazione dei metodi operativi e allo scambio di know-how attraverso la circolazione di campioni tra i laboratori accreditati dai vari servizi. Il Bureau Communautaire de Référence (BCR), istituito nel 1973, ha lo scopo di promuovere l’attività connessa alla produzione dei materiali di riferimento usati nel controllo delle analisi chimiche e nella determinazione di alcune proprietà fisiche dei materiali. Coordina le diverse attività esistenti nei paesi della UE, con l’obiettivo di contribuire a migliorare la qualità delle misure e l’accordo tra i risultati e di sviluppare nuovi metodi di misura, concordati in sede comunitaria, allo scopo di evitare qualunque disaccordo successivo. Gli obiettivi conseguiti hanno riguardato l’armonizzazione delle misure nel settore della m. delle grandezze meccaniche, termiche, ottiche, elettriche, elettroniche e acustiche.

M. quantistica

Parte della m. riguardante la realizzazione di campioni di misura basati su leggi fisiche per le quali è essenziale l’interpretazione quantistica dei fenomeni interessati. Se, da una parte, l’attenzione verso fenomeni quantistici è una naturale conseguenza della necessità di verificare ipotesi teoriche sulla struttura della materia e di stimolarne di nuove, dall’altra la m. quantistica ha assunto un’importanza pratica rilevante da quando gli esperimenti in questo settore hanno raggiunto un livello di raffinatezza tale da essere anche oggetto di proposte per la definizione e il mantenimento di unità di misura proprie delle grandezze fisiche del mondo macroscopico. La m. quantistica si occupa in particolare della determinazione di costanti naturali. A tal fine, dapprima si affronta la verifica di una legge fisica che contenga una costante naturale (o una combinazione di più costanti); in seguito, assegnato un valore, il più probabile, alla costante stessa, si utilizza il fenomeno fisico per la riproduzione di un’unità di misura.

Per le misure di tempo e di frequenza i campioni di laboratorio e commerciali di più elevate prestazioni di accuratezza e stabilità sono basati su risonanze di atomi in fascio o in uno schema a fontana (¹³³Cs), oppure confinati da pareti opportune (H) o da gas tampone (Rb) per prolungare il tempo di osservazione della risonanza e accrescerne la stabilità a breve termine. La m. quantistica, utilizzando livelli discreti di energia, ha ottenuto nella realizzazione del secondo un’accuratezza di gran lunga superiore a quella delle altre grandezze.

Per i campioni di lunghezza, la definizione del metro, basata sul valore della velocità della luce nel vuoto, di fatto è stata resa possibile dallo sviluppo dell’elettronica quantistica e della spettroscopia molecolare di alta risoluzione (laser stabilizzati). Tali dispositivi hanno permesso di realizzare catene di sintesi di frequenza attraverso cui si misurano con alta precisione le frequenze di radiazioni e di risonanze atomiche e molecolari nell’infrarosso e nel visibile. Nel 1993 vennero raccomandati 9 riferimenti di frequenza basati su transizioni molecolari nell’infrarosso e nel visibile.

Nella m. elettrica, mentre si tende da una parte a migliorare l’accuratezza della realizzazione dell’ampere attraverso la misurazione del rapporto giromagnetico del protone, dall’altra parte ci si affida a effetti scoperti per la riproducibilità e disseminazione di grandezze elettriche importanti, quali la tensione e la resistenza, mediante rispettivamente gli effetti Josephson in corrente alternata e Hall quantizzato.

Per le misure di temperatura, al di sopra di 1337,58 K (temperatura di fusione dell’oro) la Scala internazionale pratica di temperatura si realizza mediante riferimenti che utilizzano la legge di Planck della radiazione di corpo nero. Nella zona delle temperature prossime allo zero termodinamico, l’effetto Josephson ha suggerito un metodo di misurazione basato sull’osservazione delle fluttuazioni di frequenza della radiazione emessa da una giunzione polarizzata con una tensione costante.

Infine, va sottolineato che fanno parte della m. quantistica anche altre questioni pertinenti alla verifica sperimentale del valore di grandezze che compaiono nell’elettrodinamica quantistica, come le correzioni radiative in vari processi elettrodinamici (anomalia del momento magnetico dell’elettrone, del muone ecc.) e lo spostamento dei livelli energetici degli stati legati dell’elettrone in campo esterno, in particolare in atomi idrogenoidi.