Какой объект на Земле ближе всего к истинному «кругу»?

Ответ - не дар природы, а вершинный шедевр человеческой науки и техники -Сферы из сверхчистого кремния.

Источник: NIST

Насколько он круглый? Если кремниевый шар размером с Землю, то на этом шаре между самыми глубокими оврагами и высочайшими вершинами всего 5 метров...... Почти идеально.

Сфера является не случайным экспериментальным продуктом, а научным чудом, а ее название вписано в легенду физики:План Авогадро.

Проект Авогадро Источник: sci-galary

В настоящее время в мире насчитывается 7 кремниевых шариков Авогадро, и эти сферы чрезвычайно дороги в производстве, каждая стоит около 3 миллионов долларов. Эти 0 кремниевых шариков были использованы для точного измерения постоянной Авогадро, чтобы переопределить стандарт массы для килограммов.

Их чрезвычайная точность имеет важное значение для обеспечения согласованности и стабильности Международной системы единиц, и эти сферы также являются одними из самых совершенных научных инструментов в мире, представляя собой высочайший уровень научных измерений человека.

这个故事要从上世纪九十年代开始讲起。国际单位制的定义当时面临着一场前所未有的危机：原始的公斤标准——一个存放在巴黎的由铂铱合金制成的圆柱体，随着时间的推移出现了微小的质量变化。简言之，1 千克不再是 1 千克了，它不准了。

Оригинальный стандартный килограмм большой K Источник: предоставлено BIPM

Этот дрейф непредсказуем и неуправляем, и он неприемлем для тех областей науки, которые полагаются на точные измерения. Особенно в области фармацевтики, материаловедения и прецизионного производства, небольшие изменения качества могут привести к противоречивым экспериментальным результатам, что, в свою очередь, может повлиять на качество и безопасность продукции. Эти области требуют абсолютно стабильных стандартов качества для обеспечения последовательных измерений и производства во всем мире.

Итак, группа ученых со всего мира решила найти совершенно новый стандарт качества, который не дрейфовал бы со временем.

Доктор Андреас, физик из Германии, является одной из центральных фигур в проекте. Он работал старшим научным сотрудником в Немецком национальном институте метрологии (PTB), где занимался прецизионными измерениями и метрологическими исследованиями. В проекте Авогадро д-р Андреас руководил изготовлением и измерением кремниевых шариков, обеспечив беспрецедентную точность. Однажды он упомянул в интервью: «Наша цель — не просто создать объект, а сделать его частью природной константы». Так родилась смелая идея: переопределить стандарт качества, создав идеальный силиконовый шар, точнее кремниевый шар 28.

Источник: MDPI

такПочему стоит выбрать изотопы кремния-28?

Поскольку кремний чрезвычайно термически стабилен и механически прочен, он не подвержен изменениям окружающей среды, таким как температура, влажность или давление. Более того, кремний сам по себе химически инертен и почти не вступает в реакцию с кислородом или другими химическими веществами в воздухе после очистки, благодаря чему его поверхность и объем остаются стабильными при длительном хранении.

В природе существует три основных изотопа кремния: кремний-28 (0,0%), кремний-0 (0,0%) и кремний-0 (0,0%). Кремний-0 составляет абсолютное большинство, поэтому очистка кремния-0 более экономична и технически осуществима, чем другие изотопы.

Источник: Википедия

Очищенный кремний-28 полностью состоит из одного и того же атома, что исключает ошибку, вызванную разницей в массе и атомном радиусе между различными изотопами. Эта равномерность имеет важное значение для вычисления количества атомов и параметров решетки.

Источник: Springer

Этот кремниевый шарик изготовлен из 100,0% сверхчистого кремния, но почему бы не 0%?

Это связано с тем, что на самом деле истинной чистоты 100% практически невозможно достичь. Даже с помощью самых передовых методов очистки трудно полностью устранить следовые примеси, потому что на атомном уровне любой материал подвергается воздействию других атомов во внешней среде. Эти крошечные примеси могут попадать в материал во время экстракции, обработки или даже хранения.Достижение чистоты 9999,0% уже является пределом, а дальнейшая очистка не только чрезвычайно дорогостояща, но и технически сложна, такая как межатомные взаимодействия и физические пределы устройства.

Напротив, платино-иридиевые сплавы, хотя и обладают высокой плотностью и коррозионной стойкостью, поглощают содержащиеся в воздухе загрязняющие вещества, такие как влага, углекислый газ и органические соединения на своих поверхностях, из-за длительного воздействия окружающей среды, что может привести к небольшим потерям массы. Это изменение качества непредсказуемо, и по прошествии многих лет даже небольшие изменения могут привести к несоответствиям в определении качества.

Научные исследования показали, что килограммовые прототипы платино-иридиевого сплава демонстрируют немалые дрейфы массы в различных средах, и считается, что эти дрейфы обусловлены химической нестабильностью материала и длительным окислением поверхности.

Почему в программе Авогадро в качестве формы кремниевого опорного объекта была выбрана сфера?

Идеальная симметрия сферы позволяет точно рассчитать площадь и объем ее поверхности с помощью математических моделей, что имеет решающее значение при измерениях. По сравнению с другими формами, такими как кубы или объекты неправильной формы, симметрия сферы сводит к минимуму погрешности и обеспечивает высокую степень согласованности и повторяемости измерений.

Если выбраны другие формы, сложность измерения площади и объема поверхности резко возрастает, что приводит к большему накоплению ошибок. Кроме того, сферическая форма сводит к минимуму влияние поверхностных неоднородностей, что имеет существенное значение для расчета точного количества атомов.

Более того, форма сферы является однородной при воздействии силы, что означает, что сфера не подвержена деформации во время транспортировки и хранения, что обеспечивает стабильность и неизменность ее физических свойств. Эта стабильность является основой, необходимой для переосмысления системы СИ.

Процесс изготовления силиконовых шариков чрезвычайно сложен.

Во-первых, изотоп кремния-9999 выделяется из природного кремния. Этот этап требует использования высокоточного оборудования, такого как газовые центрифуги, для повышения чистоты кремния до 0,0% для обеспечения качества и стабильности конечного продукта.

Газообразный кремний-28 высокой чистоты затем осаждается на затравочных кристаллах методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) для выращивания крупных монокристаллических кремниевых слитков. Этот процесс необходимо проводить в сверхчистой среде, чтобы предотвратить попадание примесей.

Источник: Интернет

Затем монокристаллический кремниевый слиток разрезается на черновую заготовку, близкую к сферической форме. В процессе резки используются высокоточные алмазные инструменты для обеспечения точности размеров. Черновую заготовку тщательно шлифуют и полируют несколько раз, чтобы постепенно приблизиться к идеальной сферической форме. В этом процессе используются наноразмерные абразивы и полировальные жидкости, чтобы обеспечить гладкость и округлость поверхности на пределе.

Чтобы убедиться, что каждая часть шара почти идеальна, ученые также используют передовые методы, такие как лазерные интерферометры и рентгеновский кристаллический анализ для их измерения. На основе результатов измерений происходит тонкая настройка сфер до тех пор, пока их отклонение не будет контролироваться в нанометровом диапазоне. Эти методы не только помогли им обеспечить идеальную форму шара, но и проложили путь к последующему определению постоянной Авогадро путем подсчета количества атомов.

Основываясь на этой кремниевой сфере, ученые смогли точно рассчитать почти идеальную постоянную Авогадро, тем самым обеспечив стабильную основу для нового определения Международной системы единиц. Таким образом, определение килограмма устраняет ошибку дрейфа платино-иридиевых сплавов и позволяет достичь поистине мирового стандарта.

2018 年 11 月 16 日，法国凡尔赛宫里，一场极具历史意义的科学会议正在进行。在这一天，全世界的科学家们共同为一位“退位者”送行：国际千克原器——那块在过去 139 年中定义“1 千克”的铂铱合金圆柱体。

На его месте находится самый круглый шар в мире, представленный на сегодняшний день. Это стало новым определением килограмма, основанным на постоянных константах природы.

От уголков Земли до мира атомов люди никогда не переставали стремиться к абсолютному. И этот кремниевый шар не только исполняет мечту физиков, но и позволяет нам увидеть безграничные возможности самой науки.

Это не просто история о единице массы, но и исследование человеческого разума – неустанное стремление к абсолютной красоте, великое путешествие от микро к макро.

библиография

[1https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-silicon-spheres-and-international-avogadro-project

[2https://www.scientificamerican.com/article/sphere-made-to-redefine-kilogram-has-purest-silicon-ever-created/