Эталоны килограмма

На картинке — два эталона килограмма. Слева под двумя старомодными вакуумными колпаками лежит цилиндр из платино-иридиевого сплава — копия эталона килограмма, такого же цилиндрика, изготовленного в 1879 году и хранящегося в Международном бюро мер и весов. Справа — эталон, идущий ему на смену, — ультрагладкая сфера из высокочистого кремния-28 (см. Изотопы кремния). Сфера из кремния в 2018 году будет использована в эксперименте для уточнения значения постоянной Планка и пересмотра определения килограмма. По результатам планируемого эксперимента платино-иридиевые цилиндрики смогут отправиться на заслуженный отдых.

В наши дни килограмм остался единственной из семи основных единиц Международной системы единиц, привязанных к физическому объекту, а не определенных через физические константы нашей Вселенной. Эталон килограмма — цилиндр из сплава платины с иридием диаметром и высотой 39,17 мм. Однако более чем за столетие, несмотря на все меры предосторожности, эталон стал легче на 30 микрограмм, и Международный комитет мер и весов принял решение переопределить понятие измерительной единицы «килограмм», связав ее не с рукотворным артефактом, а с постоянной Планка, значение которой, правда, тоже требуется уточнить. Одним из способов уточнения постоянной Планка является определение значения числа Авогадро, а для уточнения этой величины необходимо сосчитать количество атомов в образце вещества — той самой сфере из кремния. Значение числа Авогадро будет определено тем точнее, чем более однороден материал и чем меньшее количество примесей в нем содержится. Именно поэтому с начала 2010-х годов исследователи выращивают монокристаллы из нуклида ²⁸Si, стараясь получить кристалл идеальной сферической формы с ультравысокой степенью чистоты.

Недавно исследователи, можно сказать, приблизились к идеалу — они получили практически идеальный объект для будущей «перезагрузки» килограмма. Крайне низкое содержание примесей в материале нового эталона было подтверждено с помощью нейтронно-активационного анализа. Суть этого метода заключается в том, что образец бомбардируют нейтронами, в результате чего образуются обладающие небольшим периодом полураспада радиоактивные изотопы элементов, пути радиоактивного распада для которых известны. Таким образом, нейтронно-активационный анализ позволяет определить и природу, и содержание каждого из химических элементов в образце.

Оказалось, что самая существенная примесь в сферическом монокристалле кремния — медь, которая содержится в количестве около 70 нанограмм на грамм образца (один атом меди на три миллиарда атомов кремния). Также обнаружены еще меньшие количества хрома, кобальта, галлия, мышьяка, брома, лантана, вольфрама и золота, другие элементы не обнаружены даже в следовых количествах. С учетом всех обнаруженных загрязнений получается, что материал, использовавшийся для кремниевой сферы, чист настолько, что если бы точно такой же монокристалл состоял только из атомов кремния ²⁸Si, его масса отличалась бы от массы изученной сферы всего на 0,7 микрограмм. Это позволяет говорить о том, что изученный сферический монокристалл кремния является наиболее химически чистым артефактом, созданным человеком. Его чистота выше, чем у похожего образца, уже применявшегося в 2015 году для определения числа Авогадро. Этот объект позволит определить постоянную Планка с максимальной точностью, вероятно, навсегда «отвязав» Междунарождную систему единиц от материальных эталонов, которые, как показывает практика, могут менять свои свойства со временем.

Фото с сайта sciencenews.org.

Аркадий Курамшин