Najczystsze kule ponownie zdefiniują kilogram

| Ciekawostki
CSIRO

Idealna sfera, która w przyszłym roku posłuży do zdefiniowania kilograma za pomocą stałej Plancka, okazała się najczystszym kawałkiem krzemu, jaki kiedykolwiek ludzkość uzyskała. Kilogram to jedyna jednostka bazująca na obiekcie fizycznym. Jego obecny wzorzec, wykonany z platyny i irydu, przechowywany jest we Francji.

Jednak z czasem może on tracić lub zyskiwać na masie, dlatego też postanowiono ponownie zdefiniować kilogram używając w tym celu stałej Plancka. Jednym ze sposobów, by to uczynić jest określenie stałej Avogarda, czyli liczby cząstek w konkretnej ilości danej substancji. Eksperci zdecydowali, że substancją tą będzie krzem i muszą policzyć liczbę atomów w sferze. By to jednak uczynić, potrzebują materiału wolnego od zanieczyszczeń. Dopiero wówczas można by określić, ile atomów krzemu mieści się w kilogramie. Stąd też pomysł wyprodukowania idealnych kul.

Było to prawdziwie międzynarodowe przedsięwzięcie. Najpierw w Rosji oczyszczano krzem w centryfugach używanych za czasów ZSRR do oczyszczania uranu. Wirówki oddzielały od siebie poszczególne izotopy krzemu, dzięki czemu uzyskano wyjątkowo czysty krzem-28. Z Rosji materiał trafił do niemieckiego narodowego instytutu metrologicznego, gdzie próbowano z niego utworzyć gigantyczny kryształ. Po sześciu próbach w końcu się udało. Kryształ przecięto na dwa 5-kilogramowe kawałki i dostarczono do CSIRO. Australijskie Centrum Optyki Precyzyjnej poprosiło o pomoc emerytowanego inżyniera Achima Leistnera, który przez kilkadziesiąt lat zajmował się tworzeniem precyzyjnych kul. Po zakończeniu pracy nad kulami krzemowymi Leistner stwierdził, że to jego najlepsze dzieła.

Precyzja prac rzeczywiście zadziwia. Średnica każdej z kul wynosi 93,75 milimetra, a ich waga odpowiada australijskiemu wzorcowi kilograma. Nierówności na powierzchni kul nie przekraczają 0,3 nanometra, a odchylenie od idealnej krzywizny wynosi 60-70 nanometrów. Leistner mówi, że gdyby kule powiększyć do wielkości Ziemi, to nierówności na jej powierzchni wynosiłyby 12-15 milimetrów, a odchylenie od idealnej krzywizny to 3-5 metrów.

Naukowcy z Narodowego Instytutu Badań Metrologicznych z Włoch i Australijskiego Organizacji Nauki i Technologii Nuklearnej sprawdzili kule pod kątem obecności w nich 65 zanieczyszczeń. Wykorzystano przy tym technikę neutronowej analizy aktywacyjnej. Polega ona na bombardowaniu próbki neutronami, przez co dochodzi do pojawienia się sztucznej promieniotwórczości obecnych w próbce pierwiastków. Jako, że każdy z promieniotwórczych elementów ma charakterystyczny dla siebie rozpad, badając ten rozpad można rozpoznać atomy wchodzące w skład próbki.

Okazało się, że kule  najbardziej są zanieczyszczone miedzią. Jest jej tam około 70 nanogramów na gram, co oznacza, że na 3 miliardy atomów krzemu znajduje się 1 atom miedzi. Poza miedzią znaleziono – w ilościach liczonych od pikogramów po femtogramy – chrom, kobalt, gal, arsen, brom, lantan, wolfram i złoto.

Po badaniach wyliczono zatem, że w każdym kilogramie badanego materiału znajduje się 0,7 mikrograma zanieczyszczeń. To zaś oznacza, że mamy tutaj do czynienia z najczystszym materiałem uzyskanym kiedykolwiek przez człowieka.

Autor:

Źródło: Scientific American

kilogram krzem definicja stała Plancka