Создан безупречный шар

Как сообщает New Scientist, международная группа ученых разработала и создала эталон килограмма в виде шара кристаллического кремния, выполненного с недостижимой прежде точностью.

Идея создания эталона шара возникла как результат переосмысления принципов создания эталона массы - единственного на сегодняшний день эталона метрической системы мер и весов, определенного не через физические константы, но зафиксированного в виде материального предмета. В ситуации быстрого прогресса средств измерения такой метод определения эталона стал анахронизмом.

Выяснилось, что масса эталона килограмма, зафиксированного в виде гири из платины и иридия еще 120 лет назад и хранящегося в Париже, стала изменяться и уже заметно отличается от массы 40 его собственных копий, имеющихся в разных странах мира. Природа таких изменений, и факторы, их вызывающие, не вполне понятны, однако становится ясно, что эпоха материальных эталонов осталась в прошлом.

Международная группа ученых, объединившаяся в рамках проекта «Авогадро» (Avogadro project), предложила определить килограмм через определенное количество атомов кремния, его составляющих.

Выяснилось, что это – непростая задача. Для решения задачи потребовалось попутно создать сверхточные кремниевые сферы – промежуточный этап на пути создания физически корректного эталона массы.

Для определения массы килограмма через количество атомов, его составляющих, было решено сделать образец из монокристалла чистого моноизотопного кремния (Si-28) с массой, соответствующей массе имеющегося платино-иридиевого эталона, затем определить его пространственный объем, с помощью методов рентгеновской кристаллографии определить расстояние между атомами в кристаллической решетке и, тем самым, его плотность, и вывести из них количество атомов, содержащееся в эталоне.

Для упрощения процедуры измерений решено было сделать эталон в виде сферы.

В создании эталона были задействованы российские ученые – сверхчистый кремний для них был получен путем очистки его в центрифугах, ранее использовавшихся для разделения изотопов урана.

Затем сверхчистый кремний был отправлен в немецкий метрологический институт, в котором из этого кремния был выращен монокристалл. Наконец, он был превращен в сферу недостижимой прежде геометрической точности в австралийском центре сверхточной оптики.

Контроль качества поверхности шара осуществлялся посредством измерения расстояний между 60 тыс. пар точек с помощью оптического интерферометра.

В результате получился эталон массы килограмма, выполненный в виде кремниевого шара диаметром около 93,75 мм.

Качество его поверхности таково, что после увеличения шара до размеров шара земного размер шероховатости его поверхности не превосходил бы 12 – 15 мм (в реальном масштабе они не превышают 0,3 нм), а регулярные отклонения от геометрической сферы не превышали бы 2 – 3 м.

Измерения количества атомов в шаре, выполненные независимо тремя различными группами, позволили бы переопределить эталон массы и установить ошибку измерений.

Однако появится ли в результате новый эталон массы, пока неясно. Скептики утверждают, что, несмотря на очевидные технологические достижения, в данном случае один макрообъект в качестве эталона заменен другим, но суть подхода от этого не изменилась. Предполагается попытаться определить эталон килограмма через электромагнитное взаимодействие.

Более подробная информация о создании нового эталона килограмма будет представлена на портале Исследования и разработки – R&D.CNews.