Najczystszy materiał świata stworzony przez człowieka

Ile wynosi masa kilograma? Pewnie powiecie, że 1000 gramów (1 kilogram). Ale prawidłowa odpowiedź nie jest tak oczywista, jak mogłoby się wszystkim wydawać. Międzynarodowy zespół naukowców, po wielu dekadach badań, w końcu ustali, jaka jest masa kilograma.

Do tej pory punktem odniesienia był solidny kawałek metalu znajdujący się w skarbcu we Francji, znany jako "Le Grand K" lub "Prototype Kilogram (IPK)", czyli Prototyp Kilograma.

Największy problem w tym, że kilogram jest jedyną jednostką ciągle określaną przez obiekt fizyczny, ale wiele jednostek masy zależy właśnie od masy kilograma.

Chociaż IPK jest pewnym źródłem odniesienia, to niestety przez wiele dekad także i on podlegał zmianom, a to z powodu np. kurzu, który powoli zwiększał jego masę.

Naukowcy postanowili więc na nowo obliczyć rzeczywistą masę kilograma, niezależnie od prototypu z Francji. Badacze przystąpili do tego zadania ze znajomością stałej Plancka, która jest stosunkiem energii cząsteczki, do jej częstotliwości. Jednak nie jest ona perfekcyjna, dlatego potrzebne były nowe, o wiele precyzyjniejsze wyliczenia, co wprowadzono w życie.

Zespół z niemieckiego Narodowego Instytutu Metrologicznego zdecydował, że nowe kule zostaną zbudowane z krzemu. W Rosji oczyszczano krzem w centryfugach używanych za czasów ZSRR do oczyszczania uranu. Wirówki oddzielały od siebie poszczególne izotopy krzemu, w ten sposób uzyskano wyjątkowo czysty krzem-28.

Później materiał ponownie trafił do Niemiec, gdzie próbowano z niego utworzyć gigantyczny kryształ. Udało się to uzyskać dopiero o sześciu próbach. Ostatecznie kryształ przecięto na dwa 5-kilogramowe kawałki i dostarczono do CSIRO. Tam zajął się nimi inżynier, Achim Leistner, który przez kilkadziesiąt lat zajmował się tworzeniem precyzyjnych kul. Precyzja jego pracy i wysiłków naukowców po prostu zadziwia.

Średnica każdej z kul wynosi 93,75 milimetra, a ich waga odpowiada australijskiemu wzorcowi kilograma. Badania kul wykazały, że nierówności na powierzchni kul nie przekraczają 0,3 nanometra, a odchylenie od idealnej krzywizny wynosi 60-70 nanometrów. Gdyby kule powiększyć do wielkości Ziemi, to nierówności na jej powierzchni wynosiłyby 12-15 milimetrów, a odchylenie od idealnej krzywizny to 3-5 metrów.

Kolejne badania pozwoliły ujawnić, jak dużo zanieczyszczeń znajduje się w kulach. Z pomocą techniki neutronowej analizy aktywacyjnej wykryto, że kule najbardziej są zanieczyszczone miedzią. Jest jej tam około 70 nanogramów na gram, co oznacza, że na 3 miliardy atomów krzemu znajduje się 1 atom miedzi. W kulach odkryto też, w ilościach liczonych od pikogramów po femtogramy: chrom, gal, arsen, kobalt, brom, lantan, wolfram i złoto.

Naukowcy chwalą się, że w każdym kilogramie materiału znajduje się zaledwie 0,7 mikrograma zanieczyszczeń. W ten oto sposób powstał najczystszy materiał stworzony przez człowieka w historii naszej cywilizacji. Teraz kula posłuży do określenia nowej stałej Plancka, która ma być podana do wiadomości publicznej w roku 2018. 

Źródło: / Fot. PTB