El prototipo de kilogramo obsoleto - La tecnología de vacío desempeña una función importante en la nueva definición de la masa

El prototipo de kilogramo obsoleto - La tecnología de vacío desempeña una función importante en la nueva definición de la masa

De las 7 unidades básicas, el kilogramo es la única que aún está basada en un objeto que existe en la realidad: el Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK, por sus siglas en inglés), que se guarda en París. Se espera que esto cambie pronto: la nueva definición de la unidad de masa se basará en constantes naturales. Algunos procesos fundamentales de los experimentos necesarios para ello se realizan en vacío.

Más o menos del tamaño de una pelota de tenis, plateadas y de una forma esférica casi perfecta: este es el aspecto de las esferas de cristal que dentro de poco podrían sustituir al cilindro de platino e iridio del prototipo de París. Los científicos las han fabricado a partir de silicio altamente purificado y su peso se corresponde exactamente con el del prototipo de kilogramo.

Más ligero en vacío

Para comparar la masa de cada esfera de silicio con el prototipo de kilogramo, los objetos se pesan bajo condiciones atmosféricas y en vacío. Dado que las mediciones en vacío no se ven afectadas por la flotabilidad del aire ni por los efectos de la convección, los resultados no varían tanto como lo hacen bajo presión atmosférica. Los cuerpos en vacío también son un poco más ligeros, ya que de lo contrario podrían depositarse diminutas partículas del aire sobre su superficie. Al pesar las esferas de cristal, estas partículas pueden suponer una diferencia promedio de casi diez microgramos.

A fin de crear una fórmula objetiva para definir el kilogramo, los físicos deben determinar el número de átomos de silicio que hay en las esferas. Gracias a su forma esférica precisa y a la perfecta estructura del cristal, este dato se puede calcular con gran exactitud. No obstante, para lograr la precisión necesaria, los investigadores tienen un margen de error de solo un átomo por cada cien millones. Si el experimento termina con éxito, también será posible basar el kilo en una constante natural: el peso atómico del silicio-28.

El vacío garantiza la pureza

Para determinar con exactitud el número de átomos, el silicio debe ser extremadamente puro. Por tanto, se hace crecer el sólido monocristalino en vacío para garantizar la mejor calidad. Para ello, se calienta el silicio purificado y homogéneo en un crisol de estirado de cristal hasta alcanzar una temperatura unos grados superior a la de fusión. A continuación, se moja un cristal pequeño y altamente purificado (conocido como el "cristal semilla") en la masa fundida. El silicio líquido se solidifica sobre el cristal semilla y continúa formando su estructura de red habitual en el proceso. Con movimientos lentos, giratorios y ascendentes, se forma un pilar cristalino cilíndrico, del que se cortarán las esferas de silicio.

Las esferas que se fabrican con esta técnica y posteriormente se pulen son casi perfectas: sus diámetros no varían en más de cien nanómetros en ningún punto de la esfera. Si aplicáramos estas proporciones a la tierra, ninguna montaña sería superior a cinco metros.

Dos años de mediciones

Esto se debe a que mientras que el interior de las esferas de silicio es una red cristalina regular, en la superficie se crea una capa de dióxido de silicio. Esta influye en la masa y volumen de las esferas, por lo que es necesario determinar su grosor con gran precisión y los físicos han de tenerlo en cuenta. Así, las esferas se analizan utilizando una combinación de espectroscopia de fotoelectrones y espectroscopia de fluorescencia de rayos X. Este análisis también se realiza en vacío: las esferas se analizan en un sistema de vacío extremadamente alto de aproximadamente 10-8 mbar para que los fotones y los electrones no sean absorbidos por partículas de aire y puedan alcanzar el detector sin ningún problema.

Los investigadores han previsto que necesitarán aproximadamente dos años para medir las esferas de cristal. Tras casi 130 años de uso, el prototipo de kilogramo podría ser sustituido en otoño de 2018.

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Hoy en día, la mayoría de las unidades de medida se determinan mediante fórmulas con constantes naturales invariables. Por ejemplo, el metro se define como la distancia que la luz recorre en vacío en la 299.792.458 parte de un segundo, que es el tiempo que tarda un átomo de cesio en oscilar 9.192.631.770 veces.

El prototipo de kilogramo está perdiendo peso

En cambio, el kilogramo es la única unidad de medida que aún se basa en una masa real, la del prototipo de kilo. Esto puede ser problemático porque si este prototipo sufre daños o se pierde, no se puede sustituir. Además, el cilindro de platino e iridio está perdiendo peso a medida que pasa el tiempo: ahora es aproximadamente 50 microgramos más ligero que cuando se creó. Esto se descubrió al compararlo con sus copias, que están repartidas por institutos de medición en todo el mundo. La razón de esta pérdida de masa aún no se conoce con certeza, una causa posible podría ser el procedimiento de limpieza. Con una nueva definición de masa basada en constantes naturales, este tipo de problema podría convertirse en cosa del pasado: se podría crear una masa de referencia de exactamente un kilo en cualquier momento si fuera necesario.


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