Protótipo do quilograma redundante - A tecnologia de vácuo desempenha um papel importante na nova definição de massa

Protótipo do quilograma redundante - A tecnologia de vácuo desempenha um papel importante na nova definição de massa

Das sete unidades básicas, o quilograma é a única unidade existente ainda baseada num objeto real: o Protótipo Internacional do Quilograma (IPK) armazenado em Paris. Espera-se que isto mude em breve; a nova definição da unidade de massa basear-se-á em constantes naturais. Os passos essenciais nas experiências necessárias para isto ocorrem no vácuo.
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Com o tamanho aproximado de uma bola de ténis prateada, e com uma forma esférica quase perfeita - é assim o aspeto das esferas de cristal que podem substituir o cilindro de platina/irídio do IPK em Paris. Os cientistas criaram-nas a partir de silício altamente purificado; o seu peso corresponde exatamente ao do protótipo do quilograma.

Mais leve no vácuo

Para comparar a massa da esfera de silício com o protótipo do quilograma, os objetos são pesados nas condições atmosféricas e no vácuo. Uma vez que as medidas no vácuo não são prejudicadas pela flutuabilidade do ar e pelos efeitos da convecção, os resultados das medições não variam tanto quanto à pressão atmosférica. Os corpos no vácuo são também um pouco mais leves porque pequenas partículas do ar podem formar depósitos na superfície dos objetos. Ao pesar as esferas de cristal, estas partículas podem, de facto, fazer uma diferença média de quase dez microgramas.

Para criar uma fórmula imparcial para definir o quilograma, os físicos deverão posteriormente determinar o número de átomos de silício nas esferas. Graças à forma esférica extremamente precisa e à estrutura de cristal perfeita, isto pode ser calculado de forma muito precisa. Mas, para alcançar a precisão necessária ao efetuarem a contagem, os investigadores só podem falhar o máximo de um átomo em cada cem milhões de átomos. Se a experiência for bem-sucedida, também será possível basear o quilo numa constante natural: o peso atómico do silício-28.

O vácuo garante pureza

Para determinar com precisão o número de átomos, o silício deverá ser extremamente puro. O sólido monocristalino é, assim sendo, criado no vácuo para garantir uma qualidade impecável. Para tal, o silício purificado e homogéneo é aquecido num cadinho alguns graus acima do ponto de fusão para a obtenção de cristais. Um monocristal pequeno e altamente purificado - conhecido como o germe de cristal - é então mergulhado na massa fundida. O silício líquido solidifica no germe de cristal e continua a construir a sua rede cristalina regular durante o processo. Movimentos rotativos e ascendentes lentos fazem com que se forme um pilar cristalino cilíndrico; as esferas de silício são então cortadas a partir do mesmo.

As esferas assim fabricadas e subsequentemente polidas são formadas quase na perfeição: os seus diâmetros não variam em mais de cem nanómetros em nenhum ponto da forma da esfera. Se transferíssemos estas proporções para a Terra, nenhuma colina teria mais de cinco metros de altura.

Dois anos de medições

Para determinar o volume, deverão ser precisamente medidos de forma ótica aproximadamente um milhão de pontos na superfície das esferas de silício. A distância entre os átomos individuais na rede cristalina é determinada utilizando um interferómetro de raios-X. Uma vez conhecidos esses dados, o número de átomos que se encaixam nesse volume pode ser calculado - em teoria.

Porque, enquanto o interior das esferas de silício é composto por uma rede cristalina regular, uma camada de dióxido de silício acumula-se na superfície. Esta influencia a massa e o volume das esferas, razão pela qual a sua espessura precisa de ser determinada e tida em consideração pelos físicos. As esferas são, assim, analisadas usando uma combinação de espectroscopia de fluorescência de raio X e espectroscopia de fotoeletrões. Esta análise também ocorre no vácuo: as esferas são analisadas num sistema de alto vácuo, num vácuo de aproximadamente 10-8 mbar, e portanto os fotões e os eletrões não são absorvidos pelas partículas de ar e, em vez disso, atingem o detetor sem obstáculos.

Os investigadores planearam aproximadamente dois anos para medir as esferas de cristal. Após quase 130 anos de utilização, o protótipo do quilograma poderá ser substituído no outono de 2018.

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Hoje em dia, a maioria das unidades de medida são determinadas usando fórmulas com constantes naturais imutáveis. Assim, por exemplo, o metro é definido como a distância que a luz viaja no vácuo em 1/299.792.458 de segundo, sendo o segundo o período de tempo em que um átomo de césio oscila 9.192.631.770 vezes.

O protótipo do quilograma está a perder peso

Por outro lado, o quilograma é a única unidade de medida ainda baseada numa massa real: o protótipo do quilograma. Isso tem os seus problemas, porque se este protótipo estiver danificado ou perdido não pode ser substituído. O cilindro de platina/irídio também está a perder peso ao longo do tempo: tornou-se aproximadamente 50 microgramas mais leve desde que foi feito. Isso foi descoberto ao compará-lo com as suas cópias que são distribuídas entre institutos de medição em todo o mundo. O motivo dessa perda de massa não foi resolvido de forma conclusiva; uma possível causa pode ser o procedimento de limpeza. Com uma nova definição de massa baseada em constantes naturais, este tipo de problema tornar-se-ia uma coisa do passado: uma massa de referência exata de um quilo poderá, então, ser reproduzida a qualquer momento, se necessário.


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