Új etalon a kilogrammra: véget ér platina-irídium henger uralkodása

A kilogramm miatt fáj a tudósok feje egy jó ideje. A hivatalos meghatározás szerint egy 122 éves, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatalban (Párizsban) őrzött platina-irídium henger a tömeg mértékegységének etalonja. A henger tömege azonban változik az idővel, eddig ötven mikrogrammal lett kevesebb. Ezért szükség van egy új kilogramm definícióra, amely egy régi tárgy helyett inkább a fizikai állandókra alapozná a meghatározást.

A Peter Becker által vezetett Szövetségi Intézet Fizikai és Műszaki Bizottság (Braunschweig, Németország) egy lépéssel közelebb hozta a henger uralkodásának végét. A csapat egy szilícium-28 gömb atomjainak számát határozta meg, majd az eredményből kilenc számjegy pontossággal kiszámította az Avogadro-állandó értékét, ami 6,02214084(18) × 10^{^}23 mol^{^}-1 lett. Az állandó a mintában levő atomok számára utal, amelyek tömege grammban megegyezik az elem relatív atomtömegével. Szén-12 esetében például 12 gramm minta felel meg 1 mólnak. Ez az eljárás fix ponttá tette az Avogadro-állandót, ahonnan a tömeg definiálható.

A nagy kihívás a szilícium gömb elkészítése volt. Egy közönséges szilícium mintában 92% szilícium-28 van, a fennmaradó rész szilícium-29 és szilícium-30 keveréke. Ezeknek a nehéz izotópoknak és többi szennyező atomnak az eltávolításához Becker csapata a szentpétervári urándúsító irodához fordult. Ez az iroda 99,99%-os tisztaságúra centrifugálta a szilícium-28-at, melyből Becker csapata egy 5 kg-os kristályt növesztett, melyből két közel tökéletes gömböt alakítottak ki.

A csapat lézeres interferometria használatával mindkét gömb felszínét feltérképezte, hogy megkapják térfogatukat. A kristályszerkezet megállapításához röntgendiffrakciót használtak. A térfogat kiszámításával lehetővé vált a gömbben levő atomok számának, ebből pedig az Avogadro-állandó meghatározása 3,0 × 10^{^}-8 relatív bizonytalansággal. Ennek a bizonytalanságnak 2,0 × 10^{^}-8 alá kell esnie ahhoz, hogy a Nemzetközi Súly-és Mértékügyi Bizottság megfontolja a kilogramm újradefiniálását.

A hamarosan leköszönő etalon a legnagyobb óvatosság ellenére is fogy

A mérésnek legalább olyan jónak kell lennie, mint a konkurrens erőfeszítéseknek. A fő rivális egy felfüggesztett teszthenger tömegét Watt-mérleggel méri, az elektromos áram és a mágneses mezők együttes beállításával. Ez a módszer végeredményben a Planck-állandóval (egy részecske energiájának és hullámfüggvénye frekvenciájának hányadosa) fejezi ki a tömeget. A két módszer azonban némileg eltérő értéket adott a kilogrammra. Becker reméli, hogy a gömbök mérésének pontosítása csökkentheti a bizonytalanságot. "El fog tartani pár évig, de látjuk az alagút végét" - mondta.

Addig is a Sevres-i henger marad az etalon. Az új kilogramm bevezetéséhez azonban már nem kell felhasználni, mert a hagyományos tömegmérés alkalmazása a tömegetalon meghatározásánál körkörös definícióhoz vezetne.