Физика Как изследователите предефинират килограма - WELT
Силициевата сфера, която е с размер почти десет сантиметра, е пътувала от Русия до Германия, Австралия и обратно до Германия
Това е може би най-съвършената сфера в света: С помощта на силициев кристал с дебелина почти десет сантиметра физиците от Брауншвайг искат да предефинират първоначалния парижки килограм. Причина: Оригиналното тегло, което се съхранява в сейф в покрайнините на Париж, страда от загуба на тегло.
След няколко дни, може би най-съвършената сфера в света пристига в лаборатория 5.41 на приземния етаж на сградата на Фридрих Пашен на Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) в Брауншвайг. Това е десетина сантиметра дебела, една килограма силиконова топка. През следващите месеци Питър Бекер и екипът му ще го измерват изключително прецизно във вакуумна камера.
Зад това има амбициозен план: учените искат да преброят най-малко до осем знака след десетичната запетая колко атоми се съдържат в една бенка. Мол, физическата основна единица на количеството вещество, съответства на атомното тегло на веществото в грамове. За желязо това е 56 грама, за живак 201 или за силиций 28 грама. Природата го е подредила по такъв начин, че във всеки мол има равен брой атоми. 201 грама живак например винаги съдържат толкова атоми, колкото 56 грама желязо или 28 грама силиций.
Разбира се, това са доста атоми, около шест пъти по десет в степен23. Всеки, който иска да започне да брои частиците поотделно, ще бъде зает дълго време. Ако регистрирате милион атома в секунда, пак ще ви трябват 20 милиарда години - повече, отколкото Вселената е съществувала преди. Така че това не е жизнеспособна опция.
Следователно физиците от PTB подхождат към проекта много по-умно. Те използват силициев монокристал, който има толкова правилна структура, че трябва само да измерите разстоянието между отделните атоми в кристалната решетка, за да разберете колко атома се вписват в неговия обем. Но и тук, както навсякъде с високоточни измервания, дяволът е в детайлите. Тъй като „нито един кристал не е перфектен, всеки от тях съдържа чужди атоми и малки дефекти, които прекъсват съвършенството на кристалната решетка“, обяснява ръководителят на отдела Питър Бекер. Освен това самото измерване на разстоянието между решетката не е достатъчно, тъй като обемът на сферата и нейната маса също трябва да се определят възможно най-точно. Това тогава дава тяхната плътност и само когато имате цялата тази информация заедно, можете да изчислите колко атома има в една бенка.
Разбира се, учените от Брауншвайг не отиват на този голям разход за радостта от чистото броене. Те преследват дълбок практически смисъл: става дума за проследяване на последната все още не точно определена основна единица, килограм, обратно към универсалните естествени константи. Досега малък платинено-иридиев цилиндър се използва като стандарт за всички килограми по света. Bureau International des Poids et Mesures го съхранява в сейф в Севр, в покрайнините на Париж.
През последните 100 години обаче беше показано, че този първоначален килограм постепенно е станал малко по-лек. Само поради тази причина би имало смисъл окончателно да поставим дефиницията за килограм на стабилна основа. Има дейности, свързани с това в няколко държави. В PTB в Брауншвайг акцентът е върху силициевата сфера.
За да може работата по преброяването да бъде наистина точна, силицийът (Si) трябва да е изключително чист и да съдържа само един тип атом. „Естественият силиций винаги се състои от три вида атоми, така наречените изотопи, които се различават по атомното си тегло“, обяснява Питър Бекер. "Най-често срещаният е Si 28, но в елемента има и около пет процента Si 29 и малки количества Si 30 в елемента."
За да отдели по-тежките изотопи, PTB поръча силиций в Русия през 2003 г., 99,99% от който се състои от изотопа Si 28. Техниката, използвана за направата му, е същата като тази за обогатяване на уран. Ето защо руските учени също се възползваха от опита си от програмата за ядрено оръжие. Обогатяването се проведе в Санкт Петербург, последващото почистване и обработка на силиция като твърдо вещество се извършва от изследователи в Нижни Новгород, бившия Горки.
През 2006 г. най-накрая обогатеният материал най-накрая пристигна в Берлин-Адлерсхоф, където специалисти от Института за растеж на кристали отгледаха изключително правилен монокристал от него. От това на свой ред PTB фрезова груба топка, която след това беше изпратена в Австралия за полиране. След това малко пътешествие по света силициевата сфера сега се прибира у дома. Скоро изследователите ще разберат колко атома съдържа.