Самый круглый шар

Эта «почти идеальная» сфера, сделана из очень дорогого изотопа кремния-28. Тщательно проанализированная людьми и компьютерами на предмет наличия дефектов, является самым круглым объектом в мире. Можно сказать, что это самый круглый шар на свете. Поверхность самого круглого объекта в мире настолько гладкая, что, если увеличить ее до размеров нашей планеты, углубления были бы не больше 3 - 4,5 метров.

Для понимания, когда ученые приступили к созданию этих удивительных сфер, впадины в масштабах земли были около 15 метров, но технологии стали лучше. Уровень сглаживания убирал даже мельчайшие неровности, не видные невооруженным взглядом. Однако создание такого чуда не из дешевых. Один только кремний-28 стоит около 1 миллиона долларов, а сама сфера, которую часто называют бесценной, стоит около 3,5 миллионов долларов.

Но зачем тратить состояние на создание чего-то невероятно круглого? Это попытка решить самую трудную задачу измерения: создание эталона килограмма. Да, похоже, что в отличие от других единиц измерения, которые можно теоретически измерить на основе их внутренних природных свойств, килограмм отличается.

Например, секунду можно отсчитать по переходу атома между двумя уровнями энергии, метр - это расстояние, которое свет проходит за крошечные доли секунды, но килограмм всегда основывался на конкретном физическом объекте. В 1799 году она была определена как масса одного литра воды при температуре 4 градуса Цельсия. Затем, в 1899 году, он превратился в массу цилиндра из платины и иридия, хранившуюся в защищенном хранилище Международного бюро Poids et Mesures в Париже.

Но возникла проблема с этим цилиндром, являющийся эталоном килограмма. В какой-то момент ученые обнаружили, что по неизвестным причинам масса цилиндра изменялась. Что еще хуже, по сравнению с 40 другими репликами этого объекта, хранящимися в разных условиях, они все весили по-разному. Таким образом, вместо постоянного физического значения килограмм основан на физическом объекте, который постоянно менялся, и это было серьезной проблемой.

Кстати, не совсем странно изменение массы эталонного образца килограмма. Молекулы любого вещества испаряются, что ведет к потере первоначальной массы. Для более простого понимания, вспомните кипящую воду, и пар. Так вот, всё испаряется, в больше или меньше, чем кипящая вода. Поставьте стакан воды, и через несколько дней вы увидите, что объем воды исчез даже без кипения.

Поиск неизменного килограмма, привел к проекту «Авогадро». Идея проекта заключалась в том, что в идеальной кристаллической сфере из атомов кремния-28 количество атомов в сфере можно было бы вычислить с помощью лазера для измерения диаметра. Затем можно было подсчитать количество атомов, чтобы определить число Авогадро, которое затем определило бы килограмм. Таким образом, объект, выбранный для определения килограмма, со временем останется неизменным. Точнее, будет известно сколько атомов вещества, являются идеальным килограммом.

Блестящие умы, стоящие за проектом Авогадро, объединились с исследователями из Центра точной оптики, чтобы создать эту почти безупречную сферу из кремния-28. После того, как гладкая сфера была выточена из кристалла кремния, лазеры с компьютерным управлением использовались для сканирования малейших неровностей на поверхности. Производитель мастер-линз потратил сотни часов на их исправление. С дельтой округлости менее 50 нанометров при диаметре 93,6 мм сфера считается самым круглым объектом на Земле.

Учёные решили придать эталону форму сферы, потому что она лишена углов и краёв, которые могут быть повреждены, к тому же сфера имеет лишь один параметр — диаметр — который нужно измерить для вычисления её объёма.

Изготовление сферы проходило в несколько этапов. Сначала в России, с помощью центрифуг для обогащения урана, был получен очень чистый изотоп кремния-28. Партия этого материала была отправлена в Германский Национальный Институт Метрологии, где из него, после шести неудачных попыток, вырастили цилиндрический кристалл без дефектов. Далее он был разрезан на части по 5 кг и отправлен в Австралию.

Для придания кремниевым цилиндрам сферической формы, австралийцы использовали два вращающихся ротора, которыми вручную постепенно шлифовали заготовку. Этот процесс занял несколько месяцев. После чего проводились компьютерные измерения с помощью лазера, а обнаруженные неровности убирались целенаправленно.

Увы, проект «Авогадро» в конечном итоге не изменил способ определения килограмма. В 2019 году определение единицы массы было изменено; Килограмм теперь определяется в секундах и метре на основе фиксированных фундаментальных констант природы. Но на этом история самого круглого объекта в мире не закончилась.

Удивительная сфера из кремния-28 нашла новый дом с Heason Technology, британским производителем прецизионных сервоэлектрических приводов, систем позиционирования и решений для управления движением. Сейчас он используется для проектирования, изготовления и испытаний нового оборудования в компании.

Справедливости ради нужно упомянуть и другой метод создания эталона килограмма, так называемый "ваттный баланс" (watt balance). Суть метода заключается в том, что специальная установка высчитывает силу, которая необходима для противовеса грузу в один килограмм, и определяет, сколько это составляет ватт электроэнергии.

Давным-давно школьников учили системе единиц CGS = сантиметр-грамма-секунда. В ней эти три единицы задаются некими эталонами. Число Авогадро по школьному определению есть число атомов в 12 граммах атома углерода-12. В этом смысле безразмерное число Авогадро действительно оказывается привязанным к размерному числу — граммам.

Метрология — хитрая наука. В свое время судовые хронометры, которые были нужны для определения долготы в Мировом океане, были сродни по сложности изготовления ускорителям нашего времени. Сегодня их вытеснили атомные часы. Ровно также палку метровой длины вытеснила длина волны излучения в атомных переходах.

Единиц измерения много, каждая из них удобна одна в оптике, другая в электротехнике, третья в ядерной физике, четвертая в теоретической физике, в которой скорость света и (перечеркнутая) постоянная Планка равны просто единице и которая фантастически удобна в употреблении (но только теоретикам!) — хотя все эти единицы в конце-концов выражаются через те же сантиметр-грамм-секунда.

И есть система СИ, на редкость убогая для занимающихся электродинамикой и никуда негодная в теорфизике.

Все эти единицы делятся на те, которые поддаются прецизионному измерению, и те, которые измеряются все еще неважно. И в каждой области науки есть свои эталоны. Например, гравитационная константа Ньютона известна из всех фундаментальных постоянных хуже всего.

Любой грамотный экспериментатор скажет, что по настоящему прецизионным может быть только такой эксперимент, в котором первичной измеряемой величиной является частота. Обсуждается на полном серьёзе возможность перехода к системе единиц, в которой вместо эталона длины вводится скорость света, которая декретно принимается равной 300 тыс км/сек. По сути, выпячивается роль атомных часов. Тема, по сути, бесконечная.

Постоянная Авогадро (число Авогадро, NA) - физическая константа, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества. Точное определение числа Авогадро важно для того, чтобы дать точное физическое определение килограмму, как фундаментальной величине массы в рамках системы СИ. В настоящее время число Авогадро определяется как количество атомов в 12,00 граммах изотопно чистого нуклида 12С, ее общепринятое значение определено как усредненная величина, полученная при измерении NA различными методами.

В проект по разработке нового подхода к определению килограмма и связанного с ним числа Авогадро были вовлечены ученые из Европы, России, США, Японии и Австралии. Для экспериментов в этой области был выбран кремний, так как именно этот химический элемент может образовывать практически идеальные монокристаллы различной формы. Образцы природного кремния представляют собой смесь изотопов 28Si, 29Si и 30Si, а также другие примеси, в Центральном конструкторском бюро машиностроения РФ (Санкт-Петербург), занимающемся, в том числе, и обогащением урана, был получен образец кремния, на 99.99% состоящий из 28Si. Из обогащенного нуклидом 28Si кремния был получен пятикилограммовый кристалл, из которого было изготовлено две практически идеальные сферы.

В течение двух лет кремниевые сферы отшлифовывались до практически идеального состояния. Один из участников проекта, Арнольд Николаус (Arnold Nicolaus) отмечает, что если полученные в итоге сферы можно было бы увеличить до размеров Земли, высота самой большой горы на поверхности такой сферы не превышала бы трех метров.

Количество атомов кремния в сферах определяли, измеряя их объем в помощью лазерной интерференции и расстояние между атомами в ячейках кристаллической решетки с помощью рентгеновской дифракции.

Полученное в результате многолетнего эксперимента значение числа Авогадро составляет 6.02214084(18)x1023 1/моль, ошибка определения составляет 30 миллиардных долей. В настоящее время полученная величина является самым точным значением постоянной Авогадро, однако прежде чем Международная Палата мер и весов начнет пересмотр определения килограмма, ошибка определения должна быть понижена хотя бы до 20 миллиардных долей – именно с такой величиной ошибки измерена масса эталонного платина-иридиевого цилиндра. Исследователи надеются, что ошибка при определении числа Авогадро может быть снижена за счет проведения более точных измерений, однако для этого может потребоваться еще два года или больше.

Читайте, угадывайте, отвечайте, удивляйте своих близких своими познаниями и эрудицией! В каждом приложение есть лента интересных фактов! Всегда что-то новенькое! Также после ответа в игре идут объяснения или же факты о нашем мире!