Cursa Maraton Către O Noua Masă Atomică

Aproape toate unităţile de bază din Sistemul Internaţional (SI), între timp au fost definite de constante atomice sau constante fundamentale ale fizicii. Numai kilogramul este încă reprezentat de un prototip, prototipul internaţional al kilogramului. Pentru o lungă perioadă de timp, experimentele pentru a lega, de asemenea, un kilogram de constantele fundamentale au fost difuzate în întreaga lume. Metrologii din întreaga lume au avansat un pas important cu așa-numitul experiment Avogadro.

“Kilogramul este unitatea de masă; el este egal cu masa prototipului internaţional al kilogramului.” Acest prototip, un cilindru platină-iridiu, a fost depozitat în anul 1875 într-un seif al Biroului Internaţional de Măsuri şi Greutăţi din Paris (Figura 1). Numai in acest mod este posibil pentru institutele naţionale de metrologie să se asigure că scala lor națională de masă este încă corectă – un dezavantaj al acestei unități. Un dezavantaj în continuare al acestei definiţii este "vulnerabilitatea" acestui prototip. Ca urmare a utilizării frecvente şi interacţiunii cu mediul, masa sa se schimbă. În plus, în ultima sută de ani s-a demonstrat că diferenţele de masă dintre prototip şi diferitele copii naţionale nu au rămas constante.

Figura 1: Prototipul internaţional al kilogramului din Paris: unitatea de masă.

Alte unităţi de bază ale Sistemului Internațional între timp au fost definite prin constante atomice sau constante fundamentale ale fizicii. De la începutul anilor 1970, au fost efectuate cercetări cu scopul de a defini kilogramul cu ajutorul unei constante fundamentale.Obiectivul unui astfel de experiment pentru o redefinire este de a atinge o incertitudine de măsurare relativă de câteva ori 10-8. O recomandare a CIPM, Comité International de POIDS et Mesures, unde o redefinire a kilogramului, amperului şi Kelvinului este prevăzută până în 2011, în cazul în care măsurătorile experimentale sunt acceptabile într-adevăr, a iniţiat o "cursă" între institutele naţionale de metrologie pentru a lega kilogramul la o constantă a naturii. Ideea generala este de a conecta această unitate la valori cunoscute cu exactitate a constantei lui Planck sau a constantei lui Avogadro, care defineşte numărul de atomi într-un volum molar. Proiectul Avogadro îşi are originile în anii 70, când cercetători germani au dovedit că este posibil să determine, pentru prima dată prin intermediul

interferometriei cu raze X, constanta spaţierii într-o reţea cristalină a unui cristal de siliciu, fără a fi necesar să se cunoască lungimile de undă ale razelor X folosite. Astfel a fost posibil să se pună în legătură kilogramul la unitatea de masă atomică. Constanta lui Avogadro NA , care specifică numărul de atomi dintr-un mol, serveşte ca o legătură între o masă macroscopică şi masa unui atom:

NA = Mmol / mSi = (Mmol V) / (v0 m)

unde Mmol este masa molară, mSi este masa unui atom, V şi m reprezintă volumul respectiv masa unei sfere de siliciu şi v0 este spaţiul ocupat (volumul) unui atom. Pentru a determina NA , prima dată se determină V şi m. Apoi, din specimene ale aceluiaşi cristal, se măsoară masa molară Mmol şi volumul unui atom v0 . Când NA este cunoscut, atunci este uşor să se deducă numărul de atomi într-un kilogram de acelaşi material. Toate cantităţile măsurate trebuie să fie trasabile la unităţile de bază SI existente.

Volumul

Volumul sferei de siliciu este determinat prin măsurarea diametrului sferei cu un interferometru Fizeau dublu. Interferometrul constă în principal din două suprafeţe optice în formă de segmente sferice – feţele concave formând un etalon sferic (Figura2). Între cele două suprafeţe concave ale interferometrului este plasată sfera de siliciu.

În scopul de a adapta fronturile de undă ale interferometrului la suprafaţa curbată a sferei, razele de lumină sunt mai întâi colimate de colimatoare de înaltă precizie şi apoi transformate în unde sferice prin intermediul unor obiective speciale Fizeau, ce conţin de asemenea suprafeţele de referinţă ale etalonului. Toate razele fasciculului cad perpendicular pe ambele plăci sferice de referinţă şi pe suprafaţa sferei, formându-se astfel franje de interferenţe echidistante. Folosind un aparat de fotografiat care poate fi trecut la rezoluţie mică spaţială (128×128 pixeli), aproximativ 16000 de valori de fază optică sunt măsurate simultan.