Prototype du kilogramme redondant - La technologie de vide joue un rôle important dans la nouvelle définition de la masse

Prototype du kilogramme redondant - La technologie de vide joue un rôle important dans la nouvelle définition de la masse

Sur les sept unités de base, le kilogramme est la seule unité restante toujours basée sur un objet réellement existant : le Prototype International du Kilogramme (PIK) qui se trouve à Paris. La situation devrait changer bientôt ; la nouvelle définition de l’unité de masse sera basée sur des constantes naturelles. Les étapes fondamentales des expériences nécessaires à ce changement sont effectuées dans le vide.

De la taille d'une balle de tennis, argentée et d'une forme sphérique quasiment parfaite : voilà à quoi ressemblent les sphères en cristal qui pourraient bientôt remplacer le cylindre en platine iridié du PIK à Paris. Pour cela, les scientifiques ont utilisé du silicium hautement purifié dont le poids correspond exactement à celui du prototype du kilogramme.

Une plus grande légèreté sous vide

Pour comparer la masse de la sphère en silicium au prototype du kilogramme, les objets sont pesés dans des conditions atmosphériques ainsi que dans le vide. Dans le vide, les mesures n'étant pas entravées par la poussée de l'air et les effets de la convection, les résultats ne varient pas autant que sous pression atmosphérique. Dans le vide, les corps sont également un peu plus légers car de minuscules particules de l'air peuvent former des dépôts à la surface des objets. Lors du pesage des sphères en cristal, ces particules peuvent en effet représenter un écart moyen de près de dix microgrammes.

Afin de créer une formule non biaisée pour définir le kilogramme, les physiciens doivent par la suite déterminer le nombre d'atomes de silicium dans les sphères. Grâce à cette forme sphérique extrêmement précise et à une structure cristalline parfaite, ce calcul peut être effectué très précisément. Néanmoins, pour atteindre la précision requise, les chercheurs ne doivent pas faire une erreur de calcul de plus d'un atome pour cent millions. Si l'expérience est concluante, il sera également possible de baser le kilo sur une constante naturelle : le poids atomique du silicium-28.

Le vide garantit la pureté

Afin de déterminer précisément le nombre d'atomes, le silicium doit être extrêmement pur. Le solide monocristallin est donc formé dans le vide afin de garantir une qualité sans faille. Pour cela, du silicium homogène purifié est chauffé dans un creuset de tirage du cristal à une température légèrement supérieure de quelques degrés au point de fusion. Un monocristal hautement purifié et de petite taille, appelé germe cristallin, est ensuite plongé dans la masse fondue. Le silicium liquide se solidifie sur le germe cristallin et continue à former sa structure réticulée régulière au cours du processus. De lents mouvements de rotation ascendants entraînent la formation d'un pilier cristallin cylindrique d'où sont ensuite coupées les sphères en silicium.

Les sphères ainsi fabriquées, et par la suite polies, sont presque parfaitement formées : en tout point de la sphère, leurs diamètres varient au maximum de cent nanomètres. Si ces proportions devaient être utilisées sur terre, aucune colline ne ferait plus de cinq mètres.

Deux années de mesures

Afin de déterminer le volume, il convient de mesurer, avec précision et de manière optique, environ un million de points à la surface des sphères en silicium. La distance entre les atomes individuels dans le réseau cristallin est déterminée à l'aide d'un interféromètre à rayons X. Une fois que ces données sont connues, il est théoriquement possible de calculer le nombre d'atomes que ce volume peut contenir.

L'intérieur des sphères en silicium étant constitué d'un réseau cristallin régulier, une couche de dioxyde de silicium se forme à la surface. Elle a une incidence sur la masse et le volume des sphères ; son épaisseur doit donc être déterminée avec précision et prise en compte par les physiciens. Les sphères sont donc analysées à l'aide d'une combinaison de spectroscopie de fluorescence et de spectroscopie de photoélectrons à rayon X. Cette analyse est également réalisée dans du vide : les sphères sont analysées dans un système à ultra-vide d'environ 10-8 mbar ; les photons et les électrons ne sont donc pas absorbés par les particules d'air et atteignent le détecteur sans entrave.

Les chercheurs ont prévu environ deux ans pour mesurer les sphères en cristal. Après près de 130 années d'utilisation, le prototype du kilogramme pourrait être remplacé à l'automne 2018.

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De nos jours, la plupart des unités de mesure sont déterminées à l'aide de formules utilisant des constantes naturelles immuables. Par exemple, le mètre est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en un 299 792 458e de seconde, la seconde étant la période de temps pendant laquelle un atome de césium oscille 9 192 631 770 fois.

Le prototype du kilogramme subit une perte de poids

Pour sa part, le kilogramme est la seule unité de mesure toujours basée sur une masse réelle, le prototype du kilogramme. Cette situation pose problème car, en cas de perte ou d'endommagement de ce prototype, il est impossible de le remplacer. Au fil du temps, le cylindre en platine iridié perd également du poids : il pèse aujourd'hui environ 50 microgrammes de moins qu'à l'origine. C'est en le comparant à ses copies, réparties dans les instituts de mesure du monde entier, que cette découverte a été réalisée. Cette perte de masse n'est pas définitivement résolue ; l'une des causes possibles pourrait être la procédure de nettoyage. Avec une nouvelle définition de la masse basée sur des constantes naturelles, ce type de problème serait de l'histoire ancienne : une masse de référence d'un kilo exactement pourra alors être reproduite à tout moment si nécessaire.


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