Zbędny prototyp kilograma - Technologia próżniowa odgrywa ważną rolę w nowej definicji masy

Zbędny prototyp kilograma - Technologia próżniowa odgrywa ważną rolę w nowej definicji masy

Spośród siedmiu podstawowych jednostek kilogram to jedyna oparta nadal na faktycznym przedmiocie — międzynarodowym prototypie kilograma (IPK) przechowywanym w Paryżu. Wkrótce ma się to zmienić, ponieważ nowa definicja jednostki masy będzie oparta na stałych fizycznych. Najważniejsze działania związane z eksperymentami, które to umożliwią, mają miejsce w próżni.
2_Kilogramm.jpg

Srebrna kula wielkości piłki tenisowej o niemal idealnym kształcie — tak wyglądają kule kryształów, które mogą niedługo zastąpić platynowo-irydowy walec stanowiący wzorzec kilograma. Naukowcy wykonali je z krzemu o wysokim stopniu czystości; ich masa dokładnie odpowiada masie prototypu kilograma.

Lżej w próżni

W celu porównania masy kuli krzemowej z prototypem kilograma przedmioty są ważone przy ciśnieniu atmosferycznym, a także w próżni. Ponieważ pomiary nie są zaburzane przez wypór powietrza ani jego obieg, wyniki pomiarów nie różnią się tak bardzo jak przy ciśnieniu atmosferycznym. Ciała w próżni są także nieco lżejsze, ponieważ niewielkie cząsteczki znajdujące się w powietrzu mogą osadzać się na powierzchni przedmiotów. Podczas ważenia kryształowych kul te cząsteczki mogą zmienić wynik pomiaru o prawie dziesięć mikrogramów.

Aby uzyskać obiektywny wzór do zdefiniowania kilograma, fizycy muszą określić liczbę atomów krzemu w kulach. Dzięki niezwykle dokładnemu kształtowi kuli i doskonałej strukturze kryształów można to bardzo precyzyjnie obliczyć. Jednak w celu uzyskania wymaganej dokładności naukowcy mogą pomylić się w obliczeniach o maksymalnie jeden atom na sto milionów. Jeżeli eksperyment się powiedzie, umożliwi to oparcie kilograma na stałej fizycznej: masie atomowej krzemu — 28.

Próżnia zapewnia czystość

Aby dokładnie określić liczbę atomów, krzem musi być wyjątkowo czysty. Dlatego bryła monokrystaliczna powstaje w próżni, aby zapewnić doskonałą jakość. W tym celu oczyszczony, jednorodny krzem jest podgrzewany w przemysłowym tyglu do rozciągania kryształów do temperatury o kilka stopni wyższej od punktu topnienia. Mały, pojedynczy kryształ o wysokiej czystości nazywany ziarnem kryształu jest następnie zanurzany w stopionej masie. Płynny krzem krzepnie na krysztale ziarna i dalej tworzy regularną krystaliczną strukturę. Powolny ruch obrotowy i pionowy w górę powoduje tworzenie okrągłej krystalicznej kolumny, z której wycina się krzemowe kule.

Utworzone i wypolerowane kule mają niemal idealny kształt: ich średnice w dowolnym punkcie nie różnią się więcej niż o jedną setną nanometra. Gdyby przenieść te proporcje na Ziemię, żadna góra nie miałaby więcej niż pięć metrów wysokości.

Dwa lata pomiarów

Aby określić objętość, należy dokonać precyzyjnego pomiaru optycznego około miliona punktów na powierzchni krzemowych kul. Odległość między poszczególnymi atomami w strukturze krystalicznej jest określana za pomocą interferometru rentgenowskiego. Po zebraniu tych danych teoretycznie można obliczyć liczbę atomów mieszczących się w tej objętości.

Wnętrze krzemowych kul składa się z regularnej struktury krystalicznej, natomiast na powierzchni powstaje warstwa dwutlenku krzemu. Ma ona wpływ na masę i objętość kul, dlatego fizycy muszą precyzyjnie określić jej grubość i uwzględnić w obliczeniach. Z tego względu kule są badane przy użyciu połączenia rentgenowskiej spektroskopii fluorescencyjnej i spektroskopii fotoelektronowej. Pomiar ma miejsce w próżni: kule są analizowane w systemie próżniowym wysokiego poziomu przy ciśnieniu próżni wynoszącym około 10-8 mbar, aby fotony i elektrony nie były pochłaniane przez cząsteczki powietrza i bez przeszkód dostały się do detektora.

Naukowcy zaplanowali prowadzenie pomiarów kryształowych kul przez około dwa lata. Po niemal 130 latach wykorzystywania prototyp kilograma może zostać zastąpiony jesienią­
2018 r.

Firma Busch dostarcza systemy próżniowe do ośrodków badawczych i zastosowań laboratoryjnych na całym świecie.


Obecnie większość jednostek miary jest określana przy użyciu wzorów z niezmieniającymi się stałymi fizycznymi. Przykładowo metr jest określany jako odległość, jaką światło przebywa w próżni w ciągu 1/299 792 458 sekundy, gdzie sekunda to okres, w którym atom cezu drga 9 192 631 770 razy.

Prototyp kilograma traci na wadze

Kilogram to jedyna jednostka miary oparta na rzeczywistej masie, czyli prototypie kilograma. Problem z tym związany wynika z tego, że w przypadku uszkodzenia lub utraty prototypu nie można go zastąpić. Ponadto platynowo-irydowy walec z czasem traci masę: od momentu wykonania stał się lżejszy o około 50 mikrogramów. Odkryto to, porównując go z kopiami, które znajdują się w instytutach pomiarowych na całym świecie. Przyczyna tej utraty masy nie została jednoznacznie określona; jednym z możliwych powodów może być procedura czyszczenia. Dzięki nowej definicji masy opartej na stałych fizycznych tego rodzaju problem należy do przeszłości: masę referencyjną wynoszącą dokładnie jeden kilogram można w razie potrzeby odtworzyć w dowolnej chwili.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ