211service.com
Węgiel, stała Avogadro i znaczenie liczby 12
Międzynarodowy Układ Jednostek Jednostek (ze skrótem jednostek SI) jest jednym z fundamentów współczesnej nauki. Składa się z siedmiu jednostek podstawowych, z których można wyprowadzić wszystkie inne.
To są mierniki długości; kilogram masy; drugi na czas; amper dla prądu elektrycznego; Kelvin dla temperatury termodynamicznej; kandela oznacza natężenie światła, a kret – ilość substancji. Jest to skoordynowany system jednostek, który pozwala na stosunkowo łatwe porównywanie wyników naukowych, niezależnie od miejsca ich powstania.
Układ SI jest jednak daleki od ideału. Jednym z problemów jest to, że niektóre jednostki mają wartości oparte na dowolnych obiektach, takich jak kilogram. Istnieje ogólna zgoda, że należy to zmienić, aby jednostki były oparte na podstawowych stałych natury i na określonych liczbach, które są zdefiniowane, a zatem stałe.
Jedną z tych liczb jest stała Avogadro. Jest to obecnie definiowane jako liczba atomów w 12 gramach węgla-12 i wiadomo, że wynosi około 6,02214129 ×10^23. Ale dokładna liczba zależy od definicji kilograma, który w tej chwili jest masą dowolnej sztabki ze stopu platynowo-irydowego ukrytej w sejfie gdzieś w Paryżu.
Ogólny konsensus jest taki, że lepiej byłoby zdefiniować stałą Avogadro i pozwolić, aby to ona określała masę kilograma. Ale jaki numer powinien służyć?
Dziś ciekawą sugestię wysuwa Phil Fraundorf z University of Missouri-St Louis. Twierdzi, że praktycznym rozwiązaniem jest wybranie liczby podzielnej przez 12, tak aby całkowita liczba atomów węgla-12 była równa masie grama, przynajmniej w pierwszym przybliżeniu.
Jednocześnie przydałoby się mieć fizycznie sensowną definicję opartą na strukturze, która mogłaby rozsądnie istnieć w naturze. Różni badacze sugerowali sześcian krzemu w diamentowych kryształach sześciennych skupionych na ściance lub sześcian z węgla sześciennego skupionych na ściance.
Problem polega na tym, że struktury te są prawie niemożliwe do wytworzenia, aw każdym razie nie zawierają liczby atomów podzielnej przez 12.
Tak więc Fraundorf wpadł na lepszy pomysł oparty na grafenie, pojedynczych arkuszach węglowej siatki drucianej, które są obecnie przedmiotem intensywnych badań. Jego pomysł polega na zdefiniowaniu stałej Avogadro w postaci kilku sześciokątnych arkuszy grafitu ułożonych jeden na drugim, tworząc sześciokątny pryzmat.
Pokazuje, że jeśli liczba warstw jest równa liczbie atomów po jednej stronie podstawy sześciokąta, to taka struktura zawsze będzie miała liczbę atomów podzielną przez 12, dokładnie tak, jak jest to wymagane. Jest to więc po prostu kwestia wybrania liczby, która tworzy pryzmat o liczbie atomów zbliżonej do aktualnej wartości stałej Avogadro.
Sugeruje, że gdyby ta liczba — liczba warstw i liczba atomów wzdłuż każdej krawędzi sześciokąta — wynosiła 51 150 060, to suma wynosiłaby 602 214 158 510 196 804 982800 atomów. To tak blisko, jak cholera równa obecnej liczbie.
Mówi, że utworzony w ten sposób kryształ węgla miałby 1,71 centymetra wysokości, a każdy z sześciu boków miałby 1,09 centymetra długości.
To ciekawy pomysł, nie tylko dlatego, że nasza zdolność do manipulowania grafenem poprawia się w zawrotnym tempie. Fraundorf wyobraża sobie czas w niezbyt odległej przyszłości, kiedy możliwe będzie wykorzystanie technologii druku 3D do skonstruowania pryzmatu o dokładnie takiej liczbie atomów, jak Avogadro.
Byłby to fascynujący obiekt i coś, co dałoby ludziom konkretne wyobrażenie o przestrzeni zajmowanej przez mol materii, a także o wadze mola węgla. Mówi, że masa mola innych atomów będzie proporcjonalnie cięższa lub lżejsza w zależności od stosunku mas atomowych.
I zamiast jednego kilograma w skarbcu w Paryżu (i kilku kopii gdzie indziej), każdy mógł wydrukować swój kilogram w dowolnym miejscu na planecie (przynajmniej w zasadzie).
Oczywiście debata trwa, rozważane są inne sugestie. Ale pomysł Fraundorfa wydaje się niezwykle rozsądny i na pewno wart bardziej szczegółowych badań.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1201.5537 : Wielokrotność 12 dla Avogadro