Natuurkundigen tellen het aantal atomen in 1 kg silicium

Hoeveel atomen zitten er in een kilogram silicium? Dit getal is de constante van Avogadro en het bepalen van de waarde ervan is een van de belangrijkste taken waarmee materiaalwetenschappers worden geconfronteerd.

Vandaag onthult een groep natuurkundigen het antwoord. Ze zeggen dat er 6.02214084(18) × 10^23 atomen zijn in een eenkristal van silicium met een gewicht van ongeveer een kilogram. En ze zeggen dat ze weten dat dit juist is omdat ze ze hebben geteld. Ja, ik heb ze geteld.

Eigenlijk telden ze het aantal atomen in een eenheidsvolume van silicium en maten ze de grootte van dit volume. Het aantal keren dat dit in een klomp van precies 1 mol van bijna perfecte eenkristalbol van silicium past, is het getal van Avogadro.

Om dit aantal zo nauwkeurig te hebben vastgesteld, is duidelijk een belangrijk werk, maar hoe indrukwekkend wordt gerelativeerd door de monumentale inspanningen van het internationale consortium erachter.

Het werk begon in 2004 toen een Russische groep een monster van siliciumfluoride met een specifieke isotopeninhoud maakte bij het Central Design Bureau of Machine Building in St. Petersburg. Een team van het Instituut voor Chemie van Hoogzuivere Stoffen van de Russische Academie van Wetenschappen in Nizhny-Novgorod veranderde dit vervolgens in een polykristal van siliciumhydride dat een groep van het Leibniz-Institut für Kristallzuchtung in Berlijn gebruikte om een ​​klomp van 5 kg zuiver monokristallijn silicium in 2007.

Het Australian Centre for Precision Optics nam vervolgens monsters van deze klomp en vormde ze tot quasi-perfecte bollen. Vervolgens maakten ze een röntgeninterferometer van het overgebleven silicium om de kristalstructuur te bepalen. Ze maten ook het oppervlak van de kristallen om te zien wat voor soort vuil zich daar had opgehoopt en waarmee dus rekening moest worden gehouden in de uiteindelijke berekeningen. (Verschillende koper-, nikkel- en siliciumoxiden hadden zich op het oppervlak opgehoopt.)

Verschillende groepen maten vervolgens de massa van de bollen door ze te vergelijken met de platina-iridium-testkilogrammen van de PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Duitsland, het National Metrology Institute of Japan in Tskuba en het Bureau International des Poids et Mesures in Frankrijk .

Het team heeft vervolgens het volume van de bollen gemeten met behulp van optische interferometrie. En de isotopeninhoud werd gemeten door teams van de Universiteit van Warschau, het Instituut voor Minerale Hulpbronnen van de Chinese Academie van Wetenschappen en het Instituut voor Fysica van Microstructuren van de Russische Academie van Wetenschappen.

Ten slotte werd het aantal atomen in het monster bevestigd door een promovendus met een vergrootglas en een pincet.

Oké, dat heb ik verzonnen.

Het resultaat is goed te vergelijken met andere metingen van de constante van Avogadro die met een andere methode zijn gedaan.

Ons resultaat leidt tot meer consistente numerieke waarden voor de fundamentele fysieke constanten, zegt deze internationale groep.

Dat is van meer dan academisch belang. De hoop is om op een dag de platina-iridium kilo's kwijt te raken, die de gewoonte hebben een paar atomen te verliezen elke keer dat een briesje de lucht om hen heen doet waaien, of erger nog, een paar atomen te winnen elke keer dat hun bejaarde bewaker niest.

In plaats daarvan komt een definitie van de kilogram op basis van een exacte vaste waarde voor het getal van Avogadro. De verkregen waarde, 6.02214084(18) x 10^23 mol^-1, is volgens het team het meest nauwkeurige invoergegeven voor een nieuwe definitie van de kilogram.

Dat is niet goed genoeg om de bestaande kilogram te vervangen. Maar met nog een paar jaar en de hulp van wat de meeste materiaalwetenschappers op de planeet lijken te zijn, zouden we er uiteindelijk moeten komen.

Referentie: arxiv.org/abs/1010.2317 : Een nauwkeurige bepaling van de Avogadro-constante door de atomen in een Si-28-kristal te tellen

Update: een paar commentatoren hebben erop gewezen dat een mol silicium 28 g en geen kilogram weegt en dat ik volledig in de war lijk te zijn over dit verhaal. Ze hebben natuurlijk helemaal gelijk. Moraal: schrijf nooit een blogpost na middernacht!

zich verstoppen