Overbodig prototype kilogram - Vacuümtechnologie speelt een belangrijke rol in de nieuwe definitie van massa

Overbodig prototype kilogram - Vacuümtechnologie speelt een belangrijke rol in de nieuwe definitie van massa

Van de zeven basiseenheden is de kilogram de enige resterende eenheid die nog steeds is gebaseerd op een object dat echt bestaat: het Internationale Prototype van Kilogram (IPK), dat in Parijs is opgeslagen. Dit zal naar verwachting binnenkort veranderen; de nieuwe definitie van massa zal gebaseerd zijn op natuurlijke constanten. Essentiële stappen in de experimenten die nodig zijn om dit te doen, vinden plaats in een vacuüm.

Ongeveer de grootte van een tennisbal, zilverachtig en een bijna perfect ronde vorm – zo zien de kristallen bollen eruit die binnenkort de platinum-iridiumcilinder van het IPK in Parijs zullen vervangen. Wetenschappers hebben ze gemaakt van sterk gezuiverd silicium; het gewicht komt precies overeen met dat van het prototype kilogram.

Lichter in een vacuüm

Om de massa van de siliciumbol met het prototype kilogram te vergelijken worden de objecten onder atmosferische omstandigheden èn in een vacuüm gewogen. Aangezien de metingen in een vacuüm niet worden belemmerd door opwaartse druk en de gevolgen van convectie, variëren de meetresultaten niet zo veel als bij atmosferische druk. Lichamen in een vacuüm zijn ook een beetje lichter omdat kleine deeltjes uit de lucht afzettingen kunnen vormen op de oppervlakte van de voorwerpen. Bij het wegen van de kristallen bollen kunnen deze deeltjes een gemiddeld verschil maken van bijna tien microgram.

Om een onbevooroordeelde formule te maken voor het bepalen van de eenheid kilogram, moeten fysici vervolgens het aantal siliciumatomen in de bollen bepalen. Dankzij de extreem precieze ronde vorm en de perfecte kristalstructuur kan dit zeer nauwkeurig worden berekend. Maar om de vereiste precisie te bereiken, mogen de onderzoekers slechts met een maximum van één atoom per honderd miljoen atomen misrekenen. Als het experiment succesvol is, wordt het ook mogelijk om de kilo op een natuurlijke constante te baseren: het atomaire gewicht van silicium-28.

Vacuüm zorgt voor zuiverheid

Om het aantal atomen precies te bepalen, moet het silicium extreem zuiver zijn. De monokristallijne vaste stof wordt daarom gekweekt in een vacuüm om een onberispelijke kwaliteit te waarborgen. Hiervoor wordt gezuiverd, homogeen silicium in een kristaltrekkende kroes verwarmd tot een paar graden boven het smeltpunt. Een kleine, zeer gezuiverde kristal – bekend als zaadkristal – wordt dan in de gesmolten massa gedompeld. Het vloeibare silicium stolt op het zaadkristal en bouwt voortdurend zijn regelmatige roosterstructuur in het proces uit. Langzaam roterende en opwaartse bewegingen leiden tot de vorming van een cilindrische kristallijne kolom; hiervan worden de siliciumbollen gesneden.

De zo vervaardigde en daarna gepolijste bollen zijn bijna perfect gevormd: hun diameters variëren niet meer dan honderd nanometer op elke plaats op de bol. Als we deze verhoudingen zouden overdragen naar de aarde, zou er geen heuvel meer dan vijf meter hoog zijn.

Twee jaar van metingen

Om het volume te bepalen moeten ongeveer 1 miljoen punten op de oppervlakte van de siliciumbollen nauwkeurig optisch gemeten worden. De afstand tussen de afzonderlijke atomen in het kristalrooster wordt bepaald met behulp van een röntgeninterferometer. Zodra deze gegevens bekend zijn, kan het aantal atomen dat in dat volume past, worden berekend – in theorie dan.

Omdat de binnenkant van de siliciumbollen uit een gewoon kristalrooster bestaat, vormt er zich een laag siliciumdioxide op de oppervlakte. Dit beïnvloedt de massa en het volume van de bollen. Daarom moet de dikte van de laag door de fysici nauwkeurig worden bepaald. Om die reden worden de bollen geanalyseerd door middel van een combinatie van röntgenfluorescentie-spectroscopie en foto-elektronen-spectroscopie. Deze analyse vindt ook plaats in een vacuüm: de bollen worden geanalyseerd in een ultrahoog vacuümsysteem bij een vacuüm van ongeveer 10-8 mbar, zodat de fotonen en elektronen niet door luchtdeeltjes worden geabsorbeerd en in plaats daarvan de detector ongehinderd bereiken.

De onderzoekers hebben ongeveer twee jaar gepland voor het meten van de kristalbollen. Na bijna 130 jaar gebruik kan het prototype kilogram in het najaar van 2018 worden vervangen.

Busch levert vacuümsystemen voor onderzoeksfaciliteiten en laboratoriumtoepassingen wereldwijd.


Tegenwoordig worden de meeste meeteenheden bepaald met behulp van formules met onveranderlijke natuurlijke constanten. Zo wordt bijvoorbeeld de meter gedefinieerd als de afstand die het licht in een vacuüm in 299.792.458ste van een seconde aflegt. Deze tijd is de periode waarin een cesiumatoom 9.192.631.770 keer oscilleert.

Het prototype kilogram verliest gewicht

Daarentegen is de kilogram de enige meeteenheid die nog gebaseerd is op een echte massa, het prototype kilo. Dit heeft zo zijn problemen, want als dit prototype beschadigd of verloren raakt, kan het niet worden vervangen. De platinum-iridium cilinder verliest na verloop van tijd ook gewicht: deze is ongeveer 50 microgram lichter geworden sinds hij werd gemaakt. Dit werd ontdekt door hem te vergelijken met zijn kopieën, die verspreid zijn over meetinstituten wereldwijd. De reden voor dit verlies van massa is niet definitief opgehelderd; een mogelijke oorzaak kan de schoonmaakprocedure zijn. Met een nieuwe massa-definitie op basis van natuurlijke constanten, zou dit soort problemen tot het verleden kunnen behoren: een exacte referentiemassa van een kilo kan op elk gewenst moment worden gereproduceerd.


Abonneer u op de "World of Vacuum"-nieuwsbrief!
Abonneer u nu en blijf up-to-date met het laatste fascinerende nieuws op het gebied van vacuüm.

ABONNEREN

Wilt u meer weten?
We geven u graag meer informatie. Contact Busch Nederland:
+31 (0)348 46 23 00 Neem contact met ons op