211service.com
Fysikere tæller antallet af atomer i 1 kg silicium
Hvor mange atomer er der i et kilogram silicium? Dette tal er Avogadros konstante, og at finde ud af dets værdi er en af de vigtigere opgaver, som materialeforskere står over for.
I dag afslører en gruppe fysikere svaret. De siger, at der er 6,02214084(18) × 10^23 atomer i en enkelt krystal af silicium, der vejer omkring et kilogram. Og de siger, at de ved, at det er rigtigt, fordi de har talt dem. Jep, talte dem.
Faktisk talte de antallet af atomer i en enhedsvolumen silicium og målte størrelsen af dette volumen. Antallet af gange dette passer ind i en klump på præcis 1 mol næsten perfekt enkeltkrystalkugle af silicium er Avogadros tal.
At have etableret dette tal med en sådan nøjagtighed er helt klart et vigtigt stykke arbejde, men hvor imponerende er det bare sat i perspektiv af den monumentale indsats fra det internationale konsortium bag det.
Arbejdet begyndte i 2004, da en russisk gruppe lavede en prøve af siliciumfluorid med et specifikt isotopindhold ved Central Design Bureau of Machine Building i St. Petersborg. Et hold ved Institute of Chemistry of High-Purity Substances ved det russiske videnskabsakademi i Nizhny-Novgorod forvandlede derefter dette til en polykrystal af siliciumhydrid, som en gruppe på Leibniz-Institut fur Kristallzuchtung i Berlin brugte til at dyrke en 5 kg klump af ren monokrystallinsk silicium i 2007.
Det australske center for præcisionsoptik tog derefter prøver fra denne klump og formede dem til næsten perfekte kugler. De lavede derefter et røntgeninterferometer fra det venstre silicium for at bestemme dets krystalstruktur. De målte også krystallernes overflader for at se, hvilken slags crud der var bygget op der og derfor skulle tages med i de endelige beregninger. (Forskellige kobber-, nikkel- og siliciumoxider havde opbygget sig på overfladen.)
Forskellige grupper målte derefter kuglernes masse ved at sammenligne dem med platin-iridium testkilogrammerne ejet af PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) i Tyskland, National Metrology Institute of Japan i Tskuba og Bureau International des Poids et Mesures i Frankrig .
Holdet målte derefter kuglernes volumen ved hjælp af optisk interferometri. Og isotopindholdet blev målt af hold ved University of Warszawa, Institut for Mineralressourcer ved Det Kinesiske Videnskabsakademi og Institut for Fysik af Mikrostrukturer ved Det Russiske Videnskabsakademi.
Endelig blev antallet af atomer i prøven bekræftet af en ph.d.-studerende ved hjælp af et forstørrelsesglas og en pincet.
OK, jeg fandt på det.
Resultatet kan sammenlignes med andre målinger af Avogadros konstant foretaget ved hjælp af en anden metode.
Vores resultat fører til mere konsistente numeriske værdier for de grundlæggende fysiske konstanter, siger denne internationale gruppe.
Det er af mere end akademisk interesse. Håbet er en dag at slippe af med platin-iridium-kilogrammerne, som har en vane med at miste et par atomer, hver gang en brise pjusker luften omkring dem, eller endnu værre, at få et par atomer på sig, hver gang deres gamle sikkerhedsvagt nyser.
I stedet vil der være en definition af kilogram baseret på en nøjagtig fast værdi for Avogadros tal. Den opnåede værdi, 6,02214084(18) x 10^23 mol^-1, er det mest nøjagtige inputdatum for en ny definition af kilogrammet, siger holdet.
Det er ikke helt godt nok til at erstatte det eksisterende kilogram. Men med et par år mere og hjælp fra, hvad der ser ud til at være de fleste af de materialeforskere på planeten, skulle vi i sidste ende nå dertil.
Ref: arxiv.org/abs/1010.2317 : En nøjagtig bestemmelse af Avogadro-konstanten ved at tælle atomerne i en Si-28 krystal
Opdatering: et par kommentatorer har påpeget, at en muldvarp silicium vejer 28g ikke et kilo, og at jeg ser ud til at være fuldstændig forvirret over denne historie. De er selvfølgelig fuldstændig korrekte. Moral: skriv aldrig et blogindlæg efter midnat!