Fizycy liczą liczbę atomów w 1 kg krzemu

Ile atomów zawiera kilogram krzemu? Ta liczba jest stałą Avogadro, a ustalenie jej wartości jest jednym z ważniejszych zadań, jakie stoją przed materiałoznawcami.

Dziś odpowiedź ujawnia grupa fizyków. Mówią, że w jednym krysztale krzemu ważącym około kilograma jest 6,02214084(18) × 10^23 atomów. I mówią, że wiedzą, że to słuszne, ponieważ je policzyli. Tak, policzyłem je.

Właściwie policzyli liczbę atomów w jednostce objętości krzemu i zmierzyli wielkość tej objętości. Liczba razy, gdy mieści się to w bryle dokładnie 1 mola prawie idealnej monokrystalicznej kuli krzemu, to liczba Avogadro.

Ustalenie tej liczby z taką dokładnością jest oczywiście ważnym dziełem, ale jak imponująca jest perspektywa monumentalnych wysiłków stojącego za tym międzynarodowego konsorcjum.

Prace rozpoczęły się w 2004 roku, kiedy w Centralnym Biurze Projektowym Budowy Maszyn w St. Petersburgu rosyjska grupa stworzyła próbkę fluorku krzemu o określonej zawartości izotopów. Zespół z Instytutu Chemii Substancji Wysokiej Czystości Rosyjskiej Akademii Nauk w Niżnym Nowogrodzie przekształcił następnie w polikryształ wodorku krzemu, z którego grupa z Leibniz-Institut fur Kristallzuchtung w Berlinie wyhodowała 5 kg bryłę czysty krzem monokrystaliczny w 2007 roku.

Australijskie Centrum Optyki Precyzyjnej pobrało następnie próbki z tej bryły i ukształtowało je w quasi-idealne kule. Następnie wykonali interferometr rentgenowski z lewej strony krzemu, aby określić jego strukturę krystaliczną. Zmierzyli również powierzchnie kryształów, aby zobaczyć, jaki rodzaj osadu się tam nagromadził, i dlatego należy to wziąć pod uwagę w ostatecznych obliczeniach. (Na powierzchni nawarstwiły się różne tlenki miedzi, niklu i krzemu).

Następnie różne grupy zmierzyły masę kul, porównując je z testowymi kilogramami platyny i irydu, które są w posiadaniu PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) w Niemczech, Japońskiego Narodowego Instytutu Metrologii w Tskubie oraz Bureau International des Poids et Mesures we Francji .

Następnie zespół zmierzył objętość sfer za pomocą interferometrii optycznej. A zawartość izotopów mierzyły zespoły z Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Surowców Mineralnych Chińskiej Akademii Nauk oraz Instytutu Fizyki Mikrostruktur Rosyjskiej Akademii Nauk.

Ostatecznie liczbę atomów w próbce potwierdził doktorant za pomocą lupy i pęsety.

OK, wymyśliłem to.

Wynik dobrze wypada w porównaniu z innymi pomiarami stałej Avogadro wykonanymi inną metodą.

Nasz wynik prowadzi do bardziej spójnych wartości liczbowych dla podstawowych stałych fizycznych, mówi ta międzynarodowa grupa.

To coś więcej niż zainteresowanie akademickie. Nadzieja polega na tym, że pewnego dnia pozbędziemy się kilogramów platyny i irydu, które mają zwyczaj gubienia kilku atomów za każdym razem, gdy wiatr porusza wokół nich powietrze, lub, co gorsza, zyskują kilka atomów za każdym razem, gdy ich podstarzały ochroniarz kicha.

W jego miejsce pojawi się definicja kilograma oparta na dokładnie ustalonej wartości liczby Avogadro. Zespół twierdzi, że otrzymana wartość, 6,02214084(18) x 10^23 mol^-1, jest najdokładniejszą daną wejściową dla nowej definicji kilograma.

To nie wystarczy, aby zastąpić dotychczasowy kilogram. Ale za kilka lat i z pomocą tego, co wydaje się być większością naukowców zajmujących się materiałami na planecie, powinniśmy w końcu tam dotrzeć.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1010.2317 : Dokładne określenie stałej Avogadro poprzez zliczenie atomów w krysztale Si-28

Aktualizacja: kilku komentatorów zwróciło uwagę, że mol krzemu waży 28g, a nie kilogram i że wydaje mi się, że jestem całkowicie zdezorientowany tą historią. Są oczywiście całkowicie poprawne. Morał: nigdy nie pisz posta na blogu po północy!

ukryć