I fisici contano il numero di atomi in 1 kg di silicio

Quanti atomi ci sono in un chilogrammo di silicio? Questo numero è la costante di Avogadro e determinarne il valore è uno dei compiti più importanti che gli scienziati dei materiali devono affrontare.

Oggi, un gruppo di fisici rivela la risposta. Dicono che ci sono 6.02214084(18) × 10^23 atomi in un singolo cristallo di silicio del peso di circa un chilogrammo. E dicono di sapere che è giusto perché li hanno contati. Sì, li ho contati.

In realtà, hanno contato il numero di atomi in un volume unitario di silicio e misurato la dimensione di questo volume. Il numero di volte in cui questo si inserisce in un grumo di esattamente 1 mole di sfera di silicio monocristallino quasi perfetta è il numero di Avogadro.

Aver stabilito questo numero con tale precisione è chiaramente un lavoro importante, ma quanto impressionante è messo in prospettiva dagli sforzi monumentali del consorzio internazionale dietro di esso.

Il lavoro è iniziato nel 2004 quando un gruppo russo ha creato un campione di fluoruro di silicio con uno specifico contenuto isotopico presso il Central Design Bureau of Machine Building di San Pietroburgo. Un team dell'Istituto di chimica delle sostanze di elevata purezza dell'Accademia delle scienze russa a Nizhny-Novgorod ha quindi trasformato questo in un policristallo di idruro di silicio che un gruppo del Leibniz-Institut fur Kristallzuchtung di Berlino ha utilizzato per coltivare un pezzo di 5 kg di silicio monocristallino puro nel 2007.

Il Centro australiano per l'ottica di precisione ha quindi prelevato campioni da questo grumo e li ha modellati in sfere quasi perfette. Hanno quindi realizzato un interferometro a raggi X dal silicio rimasto per determinarne la struttura cristallina. Hanno anche misurato le superfici dei cristalli per vedere che tipo di sporcizia si era accumulata lì e avrebbe quindi dovuto essere presa in considerazione nei calcoli finali. (Vari ossidi di rame, nichel e silicio si erano accumulati sulla superficie.)

Vari gruppi hanno quindi misurato la massa delle sfere confrontandole con i chilogrammi di prova di platino-iridio di proprietà del PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Germania, dell'Istituto nazionale di metrologia del Giappone a Tskuba e del Bureau International des Poids et Mesures in Francia .

Il team ha quindi misurato il volume delle sfere utilizzando l'interferometria ottica. E il contenuto di isotopi è stato misurato da squadre dell'Università di Varsavia, dell'Istituto di risorse minerarie dell'Accademia cinese delle scienze e dell'Istituto di fisica delle microstrutture dell'Accademia delle scienze russa.

Infine, il numero di atomi nel campione è stato confermato da uno studente di dottorato utilizzando una lente di ingrandimento e un paio di pinzette.

OK, l'ho inventato io.

Il risultato si confronta bene con altre misurazioni della costante di Avogadro effettuate utilizzando un altro metodo.

Il nostro risultato porta a valori numerici più coerenti per le costanti fisiche fondamentali, afferma questo gruppo internazionale.

È più di un interesse accademico. La speranza è di liberarsi un giorno dei chilogrammi di platino-iridio che hanno l'abitudine di perdere qualche atomo ogni volta che una brezza scompiglia l'aria intorno a loro, o peggio, di guadagnare qualche atomo ogni volta che la loro anziana guardia di sicurezza starnutisce.

Al suo posto ci sarà una definizione del chilogrammo basata su un esatto valore fisso per il numero di Avogadro. Il valore ottenuto, 6.02214084(18) x 10^23 mol^-1, è il dato di input più accurato per una nuova definizione del chilogrammo, afferma il team.

Non è abbastanza buono per sostituire il chilogrammo esistente. Ma con qualche anno in più e l'aiuto di quelli che sembrano essere la maggior parte degli scienziati dei materiali sul pianeta, alla fine dovremmo arrivarci.

Rif: arxiv.org/abs/1010.2317 : Una determinazione accurata della costante di Avogadro contando gli atomi in un cristallo di Si-28

Aggiornamento: un paio di commentatori hanno fatto notare che una mole di silicio pesa 28 g non un chilogrammo e che sembro essere completamente confuso su questa storia. Sono, ovviamente, completamente corretti. Morale: mai scrivere un post sul blog dopo la mezzanotte!

nascondere