Prototipo di chilogrammo ridondante - La tecnologia del vuoto svolge un ruolo importante nella nuova definizione di massa

Prototipo di chilogrammo ridondante - La tecnologia del vuoto svolge un ruolo importante nella nuova definizione di massa

Delle sette unità di base, il chilogrammo è l'unica unità rimasta ancora basata su un oggetto in realtà esistente: il prototipo internazionale del chilogrammo (IPK) conservato a Parigi. Ciò dovrebbe cambiare presto; la nuova definizione dell'unità di massa sarà basata su costanti naturali. Le fasi essenziali degli esperimenti necessari per tale passaggio si svolgono in vuoto.

Hanno approssimativamente le dimensioni di una palla da tennis, sono argentate e una forma sferica quasi perfetta: questo è l'aspetto delle sfere di cristallo che potrebbero sostituire presto il cilindro di platino-iridio dell'IPK a Parigi. Gli scienziati lo hanno creato da silicio altamente purificato; il suo peso corrisponde esattamente a quello del prototipo di chilogrammo.

Più leggeri in vuoto

Per confrontare la massa della sfera di silicio con il prototipo di chilogrammo, gli oggetti vengono pesati in condizioni atmosferiche e in vuoto. Poiché le misurazioni in vuoto non sono ostacolate dalla spinta dell'aria e dagli effetti della convezione, i risultati della misurazione non variano tanto quanto farebbero con la pressione atmosferica. Anche i corpi in vuoto sono un po' più leggeri perché piccole particelle dall'aria possono formare depositi sulla superficie degli oggetti. Quando si pesano le sfere di cristallo, queste particelle possono effettivamente fare una differenza media di quasi dieci microgrammi.

Per creare una formula imparziale per la definizione del chilogrammo, i fisici devono successivamente determinare il numero di atomi di silicio nelle sfere. Ciò può essere calcolato con precisione, grazie alla forma sferica estremamente precisa e alla struttura di cristallo perfetta. Ma per ottenere la precisione richiesta, i ricercatori possono effettuare un conteggio sbagliato di solamente un massimo di un atomo in cento milioni di atomi. Se l'esperimento ha successo, sarà anche possibile basare il chilogrammo su una costante naturale: il peso atomico del silicio-28.

Il vuoto garanzia di purezza

Per determinare con precisione il numero di atomi, il silicio deve essere estremamente puro. Il solido monocristallino viene quindi coltivato in vuoto per assicurare una qualità impeccabile. Per fare ciò, il silicio purificato e omogeneo viene riscaldato in un crogiolo per la crescita del cristallo a pochi gradi sopra il punto di fusione. Successivamente, un piccolo cristallo singolo, altamente purificato, noto come germe di cristallo, viene immerso nella massa fusa. Il silicio liquido si solidifica sul germe di cristallo e continua a costruire la sua struttura regolare a reticolo nel processo. I movimenti verso l'alto e a rotazione lenti creano un pilastro cristallino cilindrico; le sfere di silicio vengono quindi tagliate da questo pilastro.

Le sfere così prodotte e successivamente lucidate sono quasi perfettamente formate: i loro diametri non variano di più di cento nanometri in qualsiasi punto sulla forma della sfera. Se dovessimo trasferire queste proporzioni alla terra, nessuna collina sarebbe più alta di cinque metri.

Due anni di misurazioni

Per determinare il volume, deve essere misurato otticamente in modo accurato circa un milione di punti sulla superficie delle sfere di silicio. La distanza tra gli atomi individuali nel reticolo cristallino viene determinata utilizzando un interferometro a raggi X. Una volta noti questi dati, in teoria, è possibile calcolare il numero di atomi che si inserisce in quel volume.

Dato che l'interno delle sfere di silicio è costituito da un reticolo cristallino regolare, sulla superficie si crea uno strato di anidride siliconica. Questo influisce sulla massa e sul volume delle sfere, ecco perché il suo spessore deve essere accuratamente determinato e preso in considerazione dai fisici. Le sfere vengono quindi analizzate utilizzando una combinazione di spettroscopia di fluorescenza a raggi X e spettroscopia fotoelettronica. Anche questa analisi si svolge in vuoto: le sfere vengono analizzate in un sistema per vuoto ultra-elevato di circa 10-8 mbar in modo che i fotoni e gli elettroni non vengano assorbiti dalle particelle d'aria e raggiungano invece il rilevatore senza alcun ostacolo.

I ricercatori hanno previsto circa due anni per le misurazioni delle sfere di cristallo. Dopo quasi 130 anni di utilizzo, il prototipo di chilogrammo potrebbe venire sostituito nell'autunno 2018.

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Oggi, la maggior parte delle unità di misura viene determinata tramite formule con costanti naturali immutabili. Così, per esempio, il metro è definito come la distanza a cui viaggia la luce in un vuoto a 299.792.458 metri al secondo, il secondo è il periodo di tempo in cui un atomo di cesio oscilla 9.192.631.770 volte.

Perdita di peso del prototipo di chilogrammo

Al contrario, il chilogrammo è l'unica unità di misura ancora basata su una vera massa, il prototipo di chilogrammo. Ciò comporta dei problemi, poiché in caso di danneggiamento o smarrimento del prototipo, non è possibile sostituirlo. Anche il cilindro di platino-iridio sta perdendo peso nel tempo: è diventato circa 50 microgrammi più leggero rispetto alla sua creazione. Ciò è stato scoperto confrontandolo con le sue copie, distribuite in tutti gli istituti di misura nel mondo. La ragione di questa perdita di massa non è stata definitivamente risolta; una delle possibili cause potrebbe essere la procedura di pulizia. Con una nuova definizione di massa basata su costanti naturali, questo tipo di problema diventerà una preoccupazione del passato: una massa esatta di riferimento di un chilogrammo potrà essere riprodotta in qualsiasi momento se necessario.


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