Новости химической науки > Точное определение числа Авогадро и судьба килограмма

Для нового точного определения постоянной Авогадро исследователи «посчитали» количество атомов в практически идеальной кремниевой сфере массой один килограмм; исследованная сфера была обогащена нуклидом ²⁸Si.

C помощью масс-спектрометрии изотопного разбавления (isotope dilution mass spectroscopy) исследователи смогли с беспрецедентной точностью определить атомную массу кремния, что позволило им получить наиболее точное к настоящему времени значение числа Авогадро.

Кристалл кремния ²⁸Si, полученный методом зонной плавки. Для определения плотности этого кристалла было получено две сферы из кремния, изучение параметров кристаллической решетки проводилось с помощью рентгеновского интерферометра, расположенного между сферами. (Рисунок из arxiv.org/abs/1010.2317)

Постоянная Авогадро (число Авогадро, N_A) - физическая константа, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества. Точное определение числа Авогадро важно для того, чтобы дать точное физическое определение килограмму, как фундаментальной величине массы в рамках системы СИ. В настоящее время число Авогадро определяется как количество атомов в 12,00 граммах изотопно чистого нуклида ¹²С, ее общепринятое значение определено как усредненная величина, полученная при измерении N_A различными методами.

Новое физическое определение понятия «килограмм» необходимо, та как с 1889 года килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, хранящегося в Международном бюро мер и весов (расположено в г. Севр близ Парижа) и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39.17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия). Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

Проблема заключается в том, что цилиндр-эталон (и шесть его копий) постоянно меняет массу из-за того, что, несмотря на все предосторожности, на нем оседает пыль, которую удаляют с помощью пара. Наблюдения показали, что за столетие эталонный килограмм «потяжелел» на 50 микрограмм, поэтому, очевидно, что в качестве эталона предпочтительнее было бы применение более постоянной величины.

В проект по разработке нового подхода к определению килограмма и связанного с ним числа Авогадро были вовлечены ученые из Европы, России, США, Японии и Австралии. Для экспериментов в этой области был выбран кремний, так как именно этот химический элемент может образовывать практически идеальные монокристаллы различной формы. Образцы природного кремния представляют собой смесь изотопов ²⁸Si, ²⁹Si и ³⁰Si, а также другие примеси, в Центральном конструкторском бюро машиностроения РФ (Санкт-Петербург), занимающемся, в том числе, и обогащением урана, был получен образец кремния, на 99.99% состоящий из ²⁸Si. Из обогащенного нуклидом ²⁸Si кремния был получен пятикилограммовый кристалл, из которого было изготовлено две практически идеальные сферы.

В течение двух лет кремниевые сферы отшлифовывались до практически идеального состояния. Один из участников проекта, Арнольд Николаус (Arnold Nicolaus) отмечает, что если полученные в итоге сферы можно было бы увеличить до размеров Земли, высота самой большой горы на поверхности такой сферы не превышала бы трех метров.

Количество атомов кремния в сферах определяли, измеряя их объем в помощью лазерной интерференции и расстояние между атомами в ячейках кристаллической решетки с помощью рентгеновской дифракции.

Полученное в результате многолетнего эксперимента значение числа Авогадро составляет 6.02214084(18)x10²³ 1/моль, ошибка определения составляет 30 миллиардных долей. В настоящее время полученная величина является самым точным значением постоянной Авогадро, однако прежде чем Международная Палата мер и весов начнет пересмотр определения килограмма, ошибка определения должна быть понижена хотя бы до 20 миллиардных долей – именно с такой величиной ошибки измерена масса эталонного платина-иридиевого цилиндра. Исследователи надеются, что ошибка при определении числа Авогадро может быть снижена за счет проведения более точных измерений, однако для этого может потребоваться еще два года или больше.

Источник: arXiv:1010.2317v1 [physics.atom-ph] http://arxiv.org/abs/1010.2317

метки статьи: #аналитическая химия