Fyzika Ako vedci predefinujú kilogram - WELT
Kremíková guľa, ktorá má veľkosť takmer desať centimetrov, putovala z Ruska do Nemecka, do Austrálie a späť do Nemecka
Je to pravdepodobne najdokonalejšia sféra na svete: Pomocou kremíkového kryštálu hrubého takmer desať centimetrov chcú Braunschweigskí fyzici predefinovať pôvodný parížsky kilogram. Dôvod: Pôvodná váha, ktorá je uložená v trezore na okraji Paríža, trpí stratou hmotnosti.
Za niekoľko dní dorazí pravdepodobne najdokonalejšia sféra na svete do Laboratória 5.41 v prízemí budovy Friedricha Paschena budovy Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) v Braunschweigu. Je to zhruba desať centimetrov hrubá, kilogramová kremíková guľa. V nasledujúcich mesiacoch to Peter Becker a jeho tím zmeria vo vákuovej komore mimoriadne presne.
Skrýva sa za tým ambiciózny plán: vedci chcú spočítať najmenej osem desatinných miest, koľko atómov je v móle. Krt, fyzikálna základná jednotka množstva látky, zodpovedá atómovej hmotnosti látky v gramoch. Pre železo je to 56 gramov, pre ortuť 201 alebo pre kremík 28 gramov. Príroda to zariadila tak, že každý mol obsahuje rovnaký počet atómov. Napríklad 201 gramov ortuti vždy obsahuje toľko atómov ako 56 gramov železa alebo 28 gramov kremíka.
To je samozrejme dosť veľa atómov, asi šesťkrát desať na moc23. Každý, kto chce začať počítať častice individuálne, by bol dlho zaneprázdnený. Keby ste zaregistrovali milión atómov za sekundu, stále by ste potrebovali 20 miliárd rokov - dlhšie, ako vesmír predtým existoval. Nie je to teda životaschopná možnosť.
Fyzici z PTB preto pristupujú k projektu oveľa inteligentnejšie. Používajú kremíkový monokryštál, ktorý má takú pravidelnú štruktúru, že stačí zmerať vzdialenosť medzi jednotlivými atómami v kryštálovej mriežke, aby ste vedeli, koľko atómov sa zmestí do jej objemu. Ale tu, ako všade pri vysoko presných meraniach, je diabol v detailoch. Pretože „žiadny jednotlivý kryštál nie je dokonalý, každý obsahuje cudzie atómy a malé chyby, ktoré prerušujú dokonalosť kryštálovej mriežky,“ vysvetľuje vedúci oddelenia Peter Becker. Samotné meranie rozstupu mriežky navyše nestačí, pretože je tiež potrebné čo najpresnejšie určiť objem gule a jej hmotnosť. To potom dáva ich hustotu a až keď máte všetky tieto informácie pohromade, môžete vypočítať, koľko atómov krt obsahuje.
Vedci z Braunschweigu samozrejme nejdú na tieto veľké výdavky pre radosť z čistého počítania. Sledujú hlboký praktický význam: Ide o vysledovanie poslednej ešte nie presne definovanej základnej jednotky, kilogramu, späť k univerzálnym prírodným konštantám. Doteraz sa malý platinový irídiový valec používal ako štandard pre všetky kilogramy na svete. Úrad Bureau International des Poids et Mesures ju uchováva v trezore v Sèvres na okraji Paríža.
Za posledných 100 rokov sa však preukázalo, že tento pôvodný kilogram sa postupne trochu zmenšil. Už len z tohto dôvodu by malo zmysel definíciu kilogramu konečne ustáliť. S tým súvisia činnosti vo viacerých krajinách. Na PTB v Braunschweigu sa pozornosť zameriava na kremíkovú sféru.
Aby bola činnosť počítania skutočne presná, musí byť kremík (Si) mimoriadne čistý a môže obsahovať iba jeden typ atómu. „Prírodný kremík vždy pozostáva z troch typov atómov, takzvaných izotopov, ktoré sa líšia svojou atómovou hmotnosťou,“ vysvetľuje Peter Becker. „Najbežnejší je Si 28, ale v prvku je tiež okolo päť percent Si 29 a malé množstvo Si 30.“
Za účelom oddelenia ťažších izotopov objednal PTB v Rusku v roku 2003 kremík, ktorého 99,99 percenta tvoria izotop Si 28. Technika použitá na jeho výrobu je rovnaká ako technika použitá pri obohacovaní uránu. Preto aj ruskí vedci ťažili zo svojich skúseností z programu jadrových zbraní. Obohatenie sa uskutočnilo v Petrohrade, následné čistenie a spracovanie kremíka ako pevnej látky vykonali vedci v Nižnom Novgorode, bývalom Gorkom.
V roku 2006 vysoko obohatený materiál konečne dorazil do Berlína-Adlershofu, kde z neho špecialisti z Inštitútu pre rast kryštálov vypestovali mimoriadne pravidelný monokryštál. Z toho potom PTB vyfrézovala hrubú guľu, ktorá sa potom poslala do Austrálie na vyleštenie. Po tejto malej ceste okolo sveta sa kremíková sféra vracia domov. Vedci čoskoro zistia, koľko atómov obsahuje.