Фізика Як дослідники перевизначають кілограм - WELT
Кремнієва куля розміром майже десять сантиметрів подорожувала з Росії до Німеччини, Австралії та назад до Німеччини
Це, мабуть, найдосконаліша сфера у світі: за допомогою кристалу кремнію товщиною майже десять сантиметрів фізики Брауншвейгу хочуть перевизначити паризький оригінальний кілограм. Причина: оригінальна вага, яка зберігається в сейфі на околиці Парижа, страждає від втрати ваги.
Через декілька днів, мабуть, найдосконаліша сфера у світі надходить у лабораторію 5.41 на першому поверсі будівлі Фрідріха Пашену Бундесанштальта Фізікаліш-Техніш Бундесанштат (PTB) у Брауншвейзі. Це силіконова кулька товщиною близько десяти сантиметрів, один кілограм. Найближчими місяцями Пітер Беккер та його команда будуть надзвичайно точно вимірювати його у вакуумній камері.
За цим стоїть амбіційний план: вчені хочуть порахувати принаймні до восьми знаків після коми, скільки атомів міститься в родимі. Моль, фізична основна одиниця кількості речовини, відповідає атомній вазі речовини в грамах. Для заліза це 56 грамів, для ртуті 201 або для кремнію 28 грамів. Природа влаштувала це так, що кожен моль містить однакову кількість атомів. Наприклад, 201 грам ртуті завжди містить стільки атомів, скільки 56 грамів заліза або 28 грамів кремнію.
Звичайно, це досить багато атомів, приблизно у шість разів по десять у степені23. Той, хто хотів би почати рахувати частинки окремо, був би зайнятий надовго. Якби ви зареєстрували мільйон атомів на секунду, вам все одно знадобилося б 20 мільярдів років - більше, ніж існував Всесвіт раніше. Отже, це не життєздатний варіант.
Тому фізики PTB підходять до проекту набагато розумніше. Вони використовують монокристал кремнію, який має настільки регулярну структуру, що насправді потрібно лише виміряти відстань між окремими атомами в кристалічній решітці, щоб знати, скільки атомів входить в його об’єм. Але тут, як і скрізь при високоточних вимірах, диявол в деталях. Оскільки "жоден кристал не є ідеальним, кожен із них містить сторонні атоми та невеликі дефекти, які перешкоджають досконалості кристалічної решітки", пояснює керівник відділу Пітер Беккер. Крім того, одного вимірювання відстані сітки недостатньо, оскільки об’єм кулі та її маса також повинні бути визначені якомога точніше. Це надає їх щільність, і лише коли ви маєте всю цю інформацію разом, ви можете підрахувати, скільки атомів у родимі.
Звичайно, брауншвейзькі вчені не йдуть на ці великі витрати заради радості чистого підрахунку. Вони переслідують глибокий практичний зміст: мова йде про відстеження останньої ще не точно визначеної базової одиниці, кілограма, до загальних природних констант. До цього часу невеликий платиново-іридієвий балон використовувався як стандарт для всіх кілограмів у світі. Bureau International des Poids et Mesures зберігає його в сейфі в Севрі, на околиці Парижа.
Однак за останні 100 років було доведено, що цей початковий кілограм поступово став трохи легшим. Тільки з цієї причини мало б сенс остаточно визначити кілограм на стабільній основі. З цим пов'язані заходи в декількох країнах. У PTB в Брауншвейзі основна увага приділяється кремнієвій сфері.
Щоб робота з підрахунком була справді точною, кремній (Si) повинен бути надзвичайно чистим і містити лише один тип атома. "Природний кремній завжди складається з трьох типів атомів, так званих ізотопів, які відрізняються своєю атомною вагою", - пояснює Пітер Беккер. "Найбільш поширеним є Si 28, але в ньому також є близько п'яти відсотків Si 29 і невелика кількість Si 30".
Для того, щоб відокремити важчі ізотопи, PTB замовив у Росії кремній у 2003 р., 99,99% якого складається з ізотопу Si 28. Техніка його виготовлення така ж, як і для збагачення урану. Ось чому російські вчені також скористалися своїм досвідом програми ядерної зброї. Збагачення відбулося в Санкт-Петербурзі, подальше очищення та обробка кремнію у вигляді твердої речовини проводилася дослідниками в Нижньому Новгороді, колишньому Горькому.
У 2006 році високозбагачений матеріал нарешті прибув до Берлін-Адлерсхоф, де фахівці Інституту росту кристалів виростили з нього надзвичайно регулярний монокристал. З цього, в свою чергу, ПТБ розмелював грубу кульку, яку потім відправили в Австралію для полірування. Після цієї маленької кругосвітньої подорожі кремнієва сфера тепер повертається додому. Незабаром дослідники дізнаються, скільки атомів він містить.