Fizika A kutatók hogyan definiálják újra a kilogrammot - WELT
A csaknem tíz centiméter nagyságú szilíciumgömb Oroszországból Németországba, Ausztráliába és vissza Németországba utazott
Valószínűleg ez a világ legtökéletesebb szférája: egy majdnem tíz centiméter vastag szilíciumkristály segítségével Braunschweig fizikusai újra meg akarják határozni a párizsi eredeti kilogrammot. Ok: Az eredeti súly, amelyet Párizs külvárosában széfben tartanak, súlycsökkenést szenved.
Néhány nap múlva megérkezik a világ legtökéletesebb szférája az 5.41-es laboratóriumba, a Braunschweig-i Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Friedrich Paschen-épületének földszintjén. Nagyjából tíz centiméter vastag, egy kilogramm szilícium gömb. Az elkövetkező hónapokban Peter Becker és csapata rendkívül pontosan megmérik egy vákuumkamrában.
Ambiciózus terv áll mögötte: a tudósok legalább nyolc tizedesjegyig meg akarják számolni, hogy hány atom található egy anyajegyben. A mól, az anyagmennyiség fizikai alapegysége megfelel az anyag atomtömegének grammban. A vas esetében ez 56 gramm, a higany esetében 201 vagy a szilíciumé 28 gramm. A természet úgy rendezte el, hogy minden anyajegy azonos számú atomot tartalmaz. Például 201 gramm higany mindig annyi atomot tartalmaz, mint 56 gramm vas vagy 28 gramm szilícium.
Természetesen ez elég sok atom, körülbelül hatszor tíz a hatalom23. Aki el akarja kezdeni a részecskék egyenkénti számlálását, sokáig elfoglalt lenne. Ha másodpercenként egymillió atomot regisztrálna, akkor is 20 milliárd évre lenne szüksége - hosszabb ideig, mint az univerzum korábban létezett. Tehát ez nem életképes lehetőség.
A PTB fizikusai ezért sokkal okosabban közelítik meg a projektet. Olyan szilícium monokristályt használnak, amely olyan szabályos felépítésű, hogy az embernek csak a kristályrács egyes atomjai közötti távolságot kell megmérnie, hogy megtudja, hány atom fér el a térfogatában. De itt, mint mindenhol a nagy pontosságú méréseknél, az ördög is részletekben van. Mivel "egyetlen kristály sem tökéletes, mindegyik idegen atomokat és apró hibákat tartalmaz, amelyek megszakítják a kristályrács tökéletességét" - magyarázza Peter Becker osztályvezető. Ezenkívül a rács távolságának mérése önmagában nem elegendő, mert a gömb térfogatát és tömegét is a lehető legpontosabban meg kell határozni. Ez megadja a sűrűségüket, és csak akkor, ha mindezen információk együtt vannak, kiszámíthatja, hogy hány atom van egy mólban.
Természetesen a braunschweig-i tudósok nem a számlálás örömére fordítják ezt a nagy költséget. Mély gyakorlati jelentést követnek: arról van szó, hogy az utolsó, még nem pontosan meghatározott alapegységet, a kilogrammot visszavezetjük az univerzális természetes állandókra. Eddig egy kis platina-irídium hengert alkalmaztak szabványként a világ minden kilogrammjára. A Bureau International des Poids et Mesures széfben tartja Sèvres-ben, Párizs külvárosában.
Az elmúlt 100 évben azonban bebizonyosodott, hogy ez az eredeti kilogramm fokozatosan kissé könnyebbé vált. Már csak ezért is lenne értelme a kilogramm meghatározását végül stabil alapokra helyezni. Több országban vannak ezzel kapcsolatos tevékenységek. A Braunschweigben található PTB-n a hangsúly a szilícium gömbön van.
Annak érdekében, hogy a számlálási munka valóban pontos legyen, a szilíciumnak (Si) rendkívül tisztának kell lennie, és csak egy típusú atomot tartalmazhat. "A természetes szilícium mindig háromféle atomból, úgynevezett izotópokból áll, amelyek atomtömegükben különböznek" - magyarázza Peter Becker. "A leggyakoribb a Si 28, de öt százalék körüli Si 29 és kis mennyiségű Si 30 is van az elemben."
A nehezebb izotópok szétválasztása érdekében a PTB 2003-ban szilíciumot rendelt Oroszországba, amelynek 99,99 százalékát a Si 28 izotóp alkotja. Az elkészítéséhez használt technika megegyezik az urán dúsításával. Ezért az orosz tudósok is profitáltak a nukleáris fegyverek programjában szerzett tapasztalataikból. A dúsítás Szentpéterváron történt, a szilícium szilárd anyagként történő utólagos tisztítását és feldolgozását Nyizsnyij Novgorodban, a volt Gorkijban folytatták a kutatók.
2006-ban a rendkívül dúsított anyag végül megérkezett Berlin-Adlershofba, ahol a Kristálynövekedési Intézet szakemberei rendkívül szabályos egykristályt termesztettek belőle. Ebből viszont a PTB megőrölt egy durva labdát, amelyet aztán Ausztráliába küldtek fényezésre. A világ körüli kis utazás után a szilícium gömb most hazatér. Hamarosan a kutatók tudni fogják, hogy hány atomot tartalmaz.