Немецкие ученые приблизились к созданию нового эталона килограмма, который будет основан на использовании одной из фундаментальных физических констант — числа Авогадро. Исследователи создали две кремниевые сферы, на 99,99 процента состоящие из одного изотопа — кремния-28, и определили точное число атомов в них. Препринт работы авторов появился на сайте arXiv.org, а коротко об исследовании пишет портал Nature News.
Сейчас эталон килограмма представляет собой цилиндр, отлитый из сплава платины и иридия в соотношении 9 к 1. Это единственный эталон единиц СИ, который до сих пор не имеет другого способа воспроизведения (другие пять эталонов — метр, секунда, кандела, ампер и кельвин). Со временем на хранящийся в Парижской палате мер и весов цилиндр оседает пыль и, с другой стороны, от него "отскакивают" молекулы.
Сразу несколько исследовательских коллективов работают над созданием нового эталона килограмма. Наиболее перспективным считается подход, задействующий число Авогадро. Эта константа определяет, сколько атомов содержится в одном моле любого вещества. Несмотря на фундаментальное значение этой константы, точно она не определена (среди ученых даже нет согласия, четное это число или нет). Так как масса моля в граммах равняется массе молекулы (атома) в атомных единицах массы, то, если установить точное значение числа Авогадро, то килограмм будет определен как совокупность определенного числа атомов.
Для того чтобы уточнить число Авогадро авторы новой работы решили создать кремниевые сферы — ученым известно расстояние между отдельными атомами, так что они могут, зная объем сфер, подсчитать их точное число. Однако стандартные образцы кремния содержат около 92 процентов изотопа кремния-28 и около 8 процентов кремния-29. Чтобы получить сферы, состоящие практически полностью из одного изотопа, ученые обратились к специалистам Центрального конструкторского бюро машиностроения в Санкт-Петербурге, где происходит обогащение урана для атомных станций. В итоге образец кремния был очищен до состояния, когда в нем осталось 99,99 процента кремния-28.
Из этого кремния были отлиты две сферы, поверхность которых была тщательно отполирована — этот процесс занял два года, уточняет портал Science News. В итоге, как говорят сами авторы, если сферы увеличить до размеров Земли, то самая большая неровность была бы высотой 2,7 метра. При помощи рентген-дифракционного метода ученые определили структуру кристаллической решетки и смогли определить число атомов в сферах. В итоге исследователи уточнили число Авогадро с погрешностью 3,0х10-8. Международное бюро мер и весов может рассмотреть предложение ученых о введении нового эталона килограмма в том случае, когда погрешность будет ниже 2,0х10-8.
Описанная работа — не единственный пример усилий по поиску нового эталона килограмма.
