Физики уточнили значение числа Авогадро

Коллектив ученых из Германии, Италии, Франции и Японии получил самое точное на сегодняшний день значение числа Авогадро, которое определяет, сколько атомов, молекул или других частиц содержится в единице количества вещества — одном моле. Новое исследование является частью проекта, в рамках которого планируется переопределить понятие килограмма в терминах фундаментальных физических констант. Работа опубликована в Journal of Physical and Chemical Reference Data.

Авторы создали статистическую модель, позволившую им усреднить значения числа Авогадро, полученные немногим ранее в 2015 году и до этого в 2011 году. В указанных экспериментах проводили измерения эталонных сфер, выточенных из монокристалла сверхчистого кремния Si-28. При помощи рентгеновской и оптической интерферометрии ученые измерили параметры кристаллической решетки кремния, а с помощью масс-спектрометрии — молярную массу кремния. Далее, измерив диаметр сферы, рассчитали значение числа Авогадро: Na = 8MV/a³m.

Ученые оценили вероятные источники ошибок в измерениях (примеси или дефекты кристаллической решетки), на основании чего рассчитали корреляции между двумя измерениями и в итоге усреднили два результата. Окончательное значение числа Авогадро составило 6,02214082(11)×10²³ моль^-1, число в скобках означает порядок, в котором может допускаться неточность.

Уточненное значение числа Авогадро позволит в будущем получить и более точные величины других физических констант, в частности — постоянной Планка. Эта величина, в свою очередь, является ключевой на пути к новому определению килограмма. В настоящий момент эта величина задана физическим эталоном — цилиндром, хранящимся в Международном бюро мер и весов во Франции.

Решением Генеральной конференции по мерам и весам в 2011 году было принято решение переопределить килограмм так, чтобы он выражался комбинацией фундаментальных физических констант. Таким образом удастся упростить измерение, проводимые отдельными лабораториями, так как не будет возникать приоритетов, связанных с наличием эталона килограмма.

Для того, чтобы по-новому дать определение килограмму, по решению конференции, требуется уточнить значение постоянной Планка так, чтобы ошибка не превышала 2*10^-8. Один из путей, как это сделать, предполагает использовать очень точное значение числа Авогадро.

Кремниевые сферы, использованные в работе, являются самыми сферическими искусственными объектами на Земле. Они имеют около 93 миллиметров в диаметре, а их масса максимально приближена к эталону килограмма. Для того, чтобы поверхностные явления не «портили» сферы со временем, их периодически подвергают химическому травлению и шлифуют заново.