211service.com
Kulstof, Avogadros konstant og betydningen af tallet 12
Det internationale system af enheder (med forkortelsen af SI-enheder) er et af grundlaget for moderne videnskab. Den består af syv basisenheder, hvorfra alle andre kan udledes.
Disse er måleren for længde; kilogram for masse; den anden for tid; amperen for elektrisk strøm; Kelvin for termodynamisk temperatur; candela for lysstyrke, og muldvarp for mængden af stof. Dette er et koordineret system af enheder, der gør det muligt at sammenligne videnskabelige resultater relativt nemt, uanset hvor de er lavet.
SI-systemet er dog langt fra perfekt. Et af problemerne er, at nogle af enhederne har værdier baseret på vilkårlige objekter, såsom kilogram. Der er generel enighed om, at dette bør ændres, så enhederne er baseret på naturens fundamentale konstanter og på specifikke tal, der er definerede og derfor konstante.
Et af disse tal er Avogadros konstant. Dette er i øjeblikket defineret som antallet af atomer i 12 gram kulstof-12 og vides at være omkring 6,02214129 ×10^23. Men det nøjagtige antal afhænger af definitionen af et kilogram, som i øjeblikket er massen af en vilkårlig stang af platin-iridium-legering gemt i et pengeskab et sted i Paris.
Den generelle konsensus er, at det ville være bedre at definere Avogadros konstant og lade denne bestemme massen af kilogrammet. Men hvilket nummer skal tjene?
I dag fremsætter Phil Fraundorf fra University of Missouri-St Louis et interessant forslag. Han siger, at en praktisk løsning er at vælge et tal, der er deleligt med 12, så et helt antal carbon-12-atomer er lig med massen af et gram, i det mindste til en første tilnærmelse.
Samtidig ville det være nyttigt at have en fysisk meningsfuld definition baseret på en struktur, der med rimelighed kunne eksistere i naturen. Forskellige forskere har foreslået en terning af silicium i diamantfladecentreret-kubiske krystaller eller en terning af ansigtscentreret-kubisk kulstof.
Problemet er, at disse strukturer er næsten umulige at fremstille og under alle omstændigheder ikke indeholder et antal atomer, der er deleligt med 12.
Så Fraundorf har fundet på en bedre idé baseret på grafen, enkelte plader af kulstof hønsetråd, som i øjeblikket er i fokus for intens forskning. Hans idé er at definere Avogadros konstant i form af et antal sekskantede plader af grafit stablet oven på hinanden for at danne et sekskantet prisme.
Han viser, at hvis antallet af lag er lig med antallet af atomer langs den ene side af sekskantbasen, så vil en sådan struktur altid have et antal atomer, der er deleligt med 12, nøjagtigt efter behov. Så det er simpelthen et spørgsmål om at vælge et tal, der producerer et prisme med antallet af atomer tæt på den aktuelle værdi af Avogadros konstant.
Han foreslår, at hvis dette antal - antallet af lag og antallet af atomer langs hver sekskantet kant - var lig med 51.150.060, så ville totalen være 602.214.158.510.196.804.982.800 atomer. Det er så nær som for helvede lig med det nuværende tal.
Han siger, at en krystal af kulstof skabt på denne måde ville være 1,71 centimeter høj med hver af de seks sider, der måler 1,09 centimeter lang.
Det er en interessant idé, ikke mindst fordi vores evne til at manipulere grafen forbedres med stormskridt. Fraundorf forestiller sig en tid i en ikke alt for fjern fremtid, hvor det måske er muligt at bruge 3-D printteknologi til at konstruere et prisme med præcis Avogadros antal atomer.
Det ville være et fascinerende objekt og noget, der ville give folk en konkret idé om det rum, der optages af et mol stof såvel som vægten af et mol kulstof. Vægten af et mol af andre atomer vil være forholdsmæssigt tungere eller lettere i forhold til forholdet mellem atomvægte, siger han.
Og i stedet for at der kun er et kilogram i en hvælving i Paris (og nogle få kopier andre steder), kunne enhver printe deres eget kilogram ud hvor som helst på planeten (i princippet i hvert fald).
Debatten er naturligvis i gang, med andre forslag under overvejelse. Men Fraundorfs idé virker yderst fornuftig og bestemt værd at studere mere detaljeret.
Ref: arxiv.org/abs/1201.5537 : Et multiplum af 12 for Avogadro