Denník N

Takmer dokonalá guľa z kremíka zmení definíciu kilogramu

Kremíková guľa bude použitá na presnejšie spočítanie Avogadrovej konštanty, pomocou ktorej vedci nanovo zadefinujú kilogram. Foto – Enrico Massa, Carlo Sasso
Kremíková guľa bude použitá na presnejšie spočítanie Avogadrovej konštanty, pomocou ktorej vedci nanovo zadefinujú kilogram. Foto – Enrico Massa, Carlo Sasso

Fyzický model kilogramu nie je dostatočne presný, preto sa na budúci rok bude musieť predefinovať.

Kilogram je jednotka Medzinárodnej sústavy jednotiek, ktorá je ako posledná spomedzi všetkých opísaná pomocou fyzického objektu.

Momentálne je definovaný pomocou fyzického modelu, ide o valec pripravený zo zliatiny obsahujúcej 90 percent platiny a 10 percent irídia.

Tento objekt, ktorý pochádza ešte z roku 1879, je uložený v Medzinárodnom úrade pre váhy a miery v Sèvres vo Francúzsku.

Model nemá stabilnú hmotnosť

Aj keď je platina veľmi stabilná, model kilogramu nemá úplne stabilnú hmotnosť. Stačí čiastočka prachu či kvapka potu a kilogram už jednoducho nebude kilogramom.

Presná definícia kilogramu je dôležitá nielen pre presnejšie nastavenie našej kuchynských váh, keď pečieme, ale aj kvôli technológiám a fyzike.

Kilogram predstavuje jednu zo siedmich štandardných jednotiek Medzinárodnej sústavy jednotiek. Spolu ide o meter, kilogram, sekundu, kelvin, ampér, kandelu (jednotka svietivosti) a mol (jednotka látkového množstva).

Nová sústava jednotiek

Od definície kilogramu sa odvíjajú ďalšie odvodené jednotky, ktorými popisujeme svet okolo nás. Napríklad jeden newton je sila potrebná pre zrýchlenie jedného kilogramu na rýchlosť jeden meter za sekundu po dobu jednej sekundy.

Zmenou kilogramu by boli ovplyvnené aj ďalšie jednotky, napríklad pascal (jednotka tlaku), joule (jednotka energie), ale aj ampér (elektrický prúd).

Vedci sa preto rozhodli, že prestanú kilogram definovať pomocou starého fyzického modelu a prejdú na dnes už štandardný systém opisu jednotiek pomocou základných prírodných princípov.

To, aby sa časom nemenila definícia fyzikálnej jednotky (napríklad pre rozpad prvkov alebo zber nečistôt), sa dá docieliť zadefinovaním pomocou fyzikálnych konštánt, ktoré sú nemenné.

Napríklad jeden meter je od roku 1983 definovaný pomocou rýchlosti svetla. Sofistikovaný experiment umožní prepojiť 1 kilogram s Planckovou konštantou (ktorá zohráva kľúčovú úlohu vo svete atómov).

Takmer čisto kremíková guľa

Pre nové výpočty vedci pripravili guľu takmer úplne čistého kremíka, v ktorej spočítajú počet atómov v strede kryštálu.

Z týchto informácií je možné presne vypočítať takzvanú Avogadrovu konštantu (opisuje počet atómov v 0,012 kg izotopu uhlíka C612, ide teda o množstvo atómov v jednom mole častíc; zaokrúhlená hodnota je 6,022 x 1023 častíc).

Z uvedenej hodnoty vedci odvodia hodnotu pre Planckovu konštantu, ktorú použijú neskôr na stanovenie presnej hodnoty kilogramu.

Prípravu a prvé merania kremíkovej gule opísala tento mesiac skupina talianskych a austrálskych vedcov v časopise Analytical Chemistry. Aby sa kremíková guľa dala použiť na tieto účely, musí ísť o mimoriadne čistý materiál.

Bádatelia museli najprv presne určiť zloženie gule. Samozrejme, nejde o stopercentne čistý kremík, no guľa sa k takejto čistote veľmi blíži.

Keď guľu ožiarili prúdom neutrónov (metóda sa nazýva neutrónová aktivačná analýza), došlo ku vzniku rádioaktívnych izotopov prvkov, ktoré sa v guli nachádzali. Každý z prvkov podlieha inému rádioaktívnemu rozpadu. Štúdiom vznikajúcich izotopov vedci dokázali určiť, že kremíková guľa bola skutočne veľmi čistá.

Najväčšou nečistotou bola meď, na každý jeden gram kremíka jej obsahovala 70 nanogramov. Pre lepšiu predstavu, na každé tri miliardy atómov kremíka obsahuje guľa približne jeden atóm medi.

Medzi ďalšie nečistoty patria gálium, arzén, lantán, bróm, zlato, wolfrám, kobalt či chróm, no ich obsah sa pohybuje v piko- až femtogramoch (0,000 000 000 000 001 gramu). Po započítaní nečistôt by jeden kilogram tohto materiálu vážil iba o 0,7 mikrogramu menej, než ideálny materiál tvorený výlučne atómami kremíka.

Kilogram je mŕtvy, nech žije kilogram

Tieto výsledky sa 16. novembra budúceho roku počas Generálnej konferencie pre miery a váhy použijú na presnejší popis Avogadrovej konštanty.

Druhou alternatívou na lepší popis Planckovej konštanty bude experiment s výkonovými váhami (z angl. watt balance).

Pre oba typy experimentov platia rovnaké pravidlá, relatívna chyba musí byť znížená pod hranicu 1.10-8, takže od jedného kilogramu sa môže odchýliť maximálne o 10 mikrogramov.

Jedno je však isté, na budúci rok sa dočkáme nového zadefinovania kilogramu.

Dostupné z doi: 10.1063/1.495382510.1021/acs.analchem.7b01957

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Technológie

Veda

Teraz najčítanejšie