Naukowcy policzyli atomy w krysztale krzemu z niespotykaną dotychczas dokładnością, czyniąc ogromny krok naprzód w staraniach zmierzających do zdefiniowania kilograma (kg) na podstawie stałych fizycznych.

Prace, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters, zostały częściowo dofinansowane ze środków unijnych za pośrednictwem projektu IMERA Plus (Wdrażanie metrologii w Europejskiej Przestrzeni Badawczej - plus). Projekt IMERA Plus, który otrzymał 21 mln EUR z budżetu "Koordynacja działalności badawczej" Siódmego Programu Ramowego (7PR), gromadzi krajowe instytuty metrologiczne z całej Europy, aby odpowiedzieć na podstawowe pytania, takie jak definicja kilograma.

Obecnie większość miar opiera się na ustalonych stałych fizycznych. Na przykład Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) definiuje metr jako "długość drogi, jaką przebywa światło w próżni w przedziale czasu równym 1/299.792.458 sekundy", podczas gdy sekunda jest "czasem trwania 9.192.631.770 okresów promieniowania odpowiadającym przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133".

Tylko jedna miara oparła się tego rodzaju definicji - kilogram, który jest nadal definiowany przez BIPM jako "równy masie międzynarodowego prototypu kilograma". Międzynarodowy prototyp kilograma to blok platynoirydu (Pt-Ir) przechowywany w siedzibie BIPM w Paryżu, Francja. Jednak pomimo przechowywania go w starannie kontrolowanych warunkach, waga oficjalnego kilograma nie jest stała. Naukowcy szacują, że w ciągu ostatnich stu lat zmieniła się o około 50 mikrogramów. Poszukiwania polegają zatem na wypracowaniu jednoznacznej, stałej definicji kilograma.

Od 2003 r. w ramach międzynarodowego projektu Avogadro, którego koordynatorem jest Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) w Niemczech, prowadzone są prace nad opracowaniem definicji kilograma opartej na stałej Avogadra. W przypadku pierwiastka stała Avogadra odnosi się do liczby atomów w ilości materiału, którego masa w gramach odpowiada liczbie atomowej pierwiastka. Jako taka, stała Avogadra "łączy właściwości atomowe i makroskopowe materii" - napisali naukowcy.

W ramach ostatnich badań międzynarodowy zespół naukowców dążył do policzenia liczby atomów w pojedynczym, jednokilogramowym krysztale krzemu. Krzem został wybrany zdaniem naukowców dlatego, że może powstawać w postaci niezwykle czystych, dużych i niemal doskonałych kryształów. Ostatecznym celem projektu Avogadro jest pomiar stałej Avogadra w takim krysztale z niepewnością pomiaru zaledwie 2 x 10 do potęgi -8. W toku procesu czerpano z wiedzy eksperckiej instytutów metrologicznych z całego świata.

Naukowcy wykorzystali dwie kule wypolerowane w Australii. Następnie poddano ocenie doskonałość kryształów oraz wpływ wad w sieci krystalicznej. Włoski instytut metrologiczny (INRIM) zastosował interferometrię rentgenowską do ustalenia parametru sieci krystalicznej, a jego wyniki zostały potwierdzone na podstawie porównania pomiarów w naturalnym krysztale krzemu przeprowadzonych w amerykańskim Narodowym Instytucie Standaryzacji i Technologii (NIST).

Masa dwóch kuli krzemowych została porównana z masą wzorców kilograma przechowywanych w BIPM, PTB i Japońskim Krajowym Instytucie Metrologii (NMIJ). Warstwa powierzchniowa kul z ditlenku krzemu została poddana serii testów, w tym promieniowaniu rentgenowskiemu i promieniowaniu synchrotronowemu. Zmierzono również zanieczyszczenie powierzchni krzemkami miedzi i niklu oraz oceniono jego wpływ na objętość i masę kul. Wreszcie zespół z PTB zastosował nową metodę spektroskopii mas do ustalenia masy molowej kul.

Działania te umożliwiły policzenie liczby atomów w próbkach z niepewnością pomiaru zaledwie 3 x 10 do potęgi -8. "Otrzymana wartość... jest najprecyzyjniejszą daną wejściową dla nowej definicji kilograma" - napisali naukowcy. W oświadczeniu PTB zauważa: "Wynik stanowi krok milowy na drodze do udanego wypracowania nowej definicji kilograma w oparciu o podstawowe stałe, których wartości są już ustalone".

Naukowcy podkreślają, że ich definicja nadal nie jest wystarczająco precyzyjna, aby zastąpić prototyp kilograma z Paryża. W tym celu muszą osiągnąć poziom niepewności rzędu 2 x 10 do potęgi -8, jak wymaga tego Komitet Koordynacyjny ds. Masy (CCM) przy BIPM. Aczkolwiek wygląda na to, że dni paryskiego kawałka metalu jako wzorca kilograma są policzone.

Naukowcy podsumowują: "Zgodność między różnymi realizacjami nie jest jeszcze wystarczająca na tyle, by wycofać prototyp Pt-Ir kilograma, niemniej zważywszy na już wypracowane możliwości i przewidywane udoskonalenia, realistycznym wydaje się osiągnięcie docelowej niepewności w najbliższej przyszłości".

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Andreas, B., et al. (2011) Determination of the Avogadro constant by counting the atoms in a 28si crystal. Physical Review Letters 106: 030801 (publikacja z dnia 18 stycznia). DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.030801.

Fot. The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation of Australia