Redundáns kilogramm-etalon - A vákuumtechnológia fontos szerepet játszik a tömeg új meghatározásában

Redundáns kilogramm-etalon - A vákuumtechnológia fontos szerepet játszik a tömeg új meghatározásában

A hét alapvető mértékegység közül a kilogramm az egyetlen megmaradt mértékegység, amely még mindig egy valóban létező tárgyra épül: a kilogramm nemzetközi etalonjára, amelyet Párizsban tárolnak. Ez várhatóan hamarosan megváltozik; a tömeg-mértékegység új meghatározása természeti állandókra fog épülni. Az ehhez szükséges kísérletek legfontosabb lépéseit vákuumban kell végrehajtani.
2_Kilogramm.jpg

Körülbelül teniszlabda nagyságú, ezüstös színű és csaknem tökéletesen gömb alakú – így néznek ki azok a kristálygömbök, amelyek hamarosan felválthatják a Párizsban őrzött platina-irídium hengert, a súlymérték etalonját. A tudósok rendkívül tiszta szilíciumból készítették el; súlya pontosan megfelel a kilogramm-etalon súlyának.

Vákuumban könnyebb

Ha össze akarjuk hasonlítani a szilíciumgömb és a kilogramm-etalon tömegét, akkor a két tárgyat légköri viszonyok között és vákuumban is meg kell mérni. Mivel vákuumban a mérést nem befolyásolja a levegő felhajtóereje és a légáramlás, a mérési eredmények nem lesznek annyira szórtak, mint a légköri nyomáson elvégzett mérések eredményei. Emellett vákuumban a testek valamivel könnyebbek, mert a levegő parányi részecskéi lerakódást hozhatnak létre a tárgyak felületén. A kristálygömbök mérésekor ezek a részecskék valójában átlagosan közel tíz mikrogramm eltérést is előidézhetnek.

Ha befolyásoló tényezőktől mentes képletet akarnunk létrehozni a kilogramm meghatározásához, akkor a fizikusoknak ezt követően meg kell határozniuk a gömb által tartalmazott szilíciumatomok számát. A rendkívül pontos gömbformának és a tökéletes kristályszerkezetnek köszönhetően ez nagyon pontosan kiszámítható. A szükséges pontosság eléréséhez azonban a kutatók százmillió atomonként legfeljebb egy atomnyit tévedhetnek. Ha ez a kísérlet sikeres, akkor a kilogramm fogalmát egy természeti állandóra építhetjük: a szilícium-28 atom súlyára.

A vákuum gondoskodik a tisztaságról

Az atomok számának pontos meghatározásához a szilíciumnak rendkívül tisztának kell lennie. A monokristály-tömb ezért vákuumban növekedett, hogy hibátlan legyen. Ennek érdekében a tisztított, homogén szilíciumot a kristályhúzó üzem olvasztótégelyében felhevítik néhány fokkal az olvadáspontja fölé. Utána egy kicsi, rendkívül tiszta kristályt – az úgynevezett magkristályt – belemerítenek az olvadt masszába. A folyékony szilícium megszilárdul a magkristályon és a folyamat során szabályos rácsszerkezete tovább épül. A lassú forgatás és felfelé mozgatás következtében hengeres kristályoszlop formálódik ki; később ebből vágják ki a szilícium gömböket.

Az így legyártott és később lecsiszolt gömbök formája csaknem tökéletes: átmérőjük bármely ponton legfeljebb egyszázad nanométerrel tér el a gömb-formától. Ha ezeket az arányokat átültetnénk a Földre, akkor legfeljebb öt méter magas hegyeink lennének.

Két évig tartó mérés

A térfogat meghatározása érdekében körülbelül egymillió pontot kell rendkívül pontosan megmérni optikailag a szilíciumgömbök felületén. A kristályszerkezet egyes atomjai közötti távolságot röntgensugár-interferométer használatával állapítják meg. Miután ezt az adatot megismerték, elméletben ki tudják számítani, hány atom fér bele ebbe a térfogatba.

Mivel jóllehet a szilíciumgömbök szabályos kristály-rácsszerkezetből állnak, a felületükön szilícium-dioxid réteg alakul ki, és ez befolyásolja a gömbök tömegét és térfogatát, ezért ezeknek vastagságát a fizikusoknak pontosan meg kell állapítaniuk és figyelembe kell venniük. A gömböket tehát röntgen fluoreszcencia spektroszkópia és fotoelektron spektroszkópia kombinációjának alkalmazásával elemzik. Erre az analizálásra szintén vákuumban kerül sor: a gömböket ultramély vákuumrendszerben analizálják körülbelül 10-8 mbar vákuum alatt, hogy a fotonokat és az elektronokat ne nyeljék el a levegő részecskéi, hanem akadálytalanul elérhessék a detektort.

A kutatók körülbelül két éven keresztül tervezték a kristálygömbök mérését. Csaknem 130 év használat után a kilogramm etalonját 2018 őszén új etalonnal váltják le.

A Busch vákuumrendszereket biztosít kutatási létesítmények számára és laboratóriumi alkalmazásokhoz, szerte a világon.


Manapság a legtöbb mértékegységet változatlan természeti állandókat alkalmazó képletek használatával állapítják meg. Így például a métert azon távolságként határozzák meg, amelyet a fény vákuumban megtesz a másodperc 299 792 458-ad része alatt, ahol a másodperc az az időegység, amely alatt a céziumatom 9 192 631 770 alkalommal oszcillál.

A kilogramm etalonjának súlya csökken

Ezzel ellentétben a kilogramm az egyetlen olyan mértékegység, amely továbbra is valós tömegre épül, a kilogramm etalonjára. Ezzel az a probléma, hogy ha ez az etalon megrongálódik vagy elvész, akkor nem lehet pótolni. A platina-irídium henger emellett az idő múlásával veszít a súlyából: ma körülbelül 50 mikrogrammal könnyebb, mint megalkotása pillanatában volt. Erre úgy jöttek rá, hogy összehasonlították a másolataival, amelyeket elosztottak a világ különféle mérési intézményei között. Ennek a tömegveszteségnek az okát nem sikerült megnyugtató módon megállapítani; az egyik lehetséges ok a tisztítási eljárás lehet. A tömeg új, természeti állandókra épülő új meghatározásával véglegesen magunk mögött hagyhatjuk az ilyen jellegű problémákat: a kilogramm pontos referencia-tömegét szükség esetén bármikor újból képesek leszünk létrehozni.


Iratkozzon fel „A vákuum világa" hírlevélre!
Iratkozzon fel most, és mindig rendelkezzen naprakész ismeretekkel a vákuum világának legújabb lenyűgöző híreiről.

FELIRATKOZÁS