In una conferenza alla Royal Society di Londra questa settimana, i ricercatori hanno discusso dei modi per rimpiazzare il vecchio pezzo di metallo che serve come chilogrammo standard mondiale con un chilogrammo basato su una costante fondamentale.
Come misuriamo ora il chilogrammo?
Il chilogrammo è l’ultima unità che usa un artefatto fisico come suo standard. Chiamato prototipo internazionale del chilogrammo, lo standard è un cilindro in lega di platino-iridio tenuto al sicuro all’International Bureau of Weights and Measures (BIPM) a Sèvres vicino a Parigi, dal 1889.
Perchè non continuare usando questo prototipo?
La sua massa sta cambiando e gli scienziati non sanno perchè. La sua massa ora varia di circa 50 microgrammi dalle “copie nazionali” distribuite ai laboratori di metrologia del mondo. Il cambiamento di massa può risultare dalla graduale perdita di idrogeno che è stato inserito nella lega quando è stato forgiato il cilindro o forse dall’uso di carta abrasiva grossa e di fluidi di pulizia usati su di esso in passato, dice Terry Quinn, ex dirigente del BIPM. “E’ il prototipo del chilogrammo che perde massa? Oppure sono le copie nazionali che divengono più pesanti? La risposta è che non lo sappiamo, non c’è nulla di più stabile con cui confrontarlo. Quindi ci serve qualcosa di meglio”, dice il fisico del BIPM, Michael Stock.
Quale approccio si vuole usare quindi?
In Ottobre, la Conferenza Generale sui Pesi e le Misure di Parigi dovrebbe iniziare il processo per cambiare la definizione del chilogrammo con una basata su costanti fondamentali come la costante di Avogadro, il numero di atomi in una mole e la costante di Planck, che mette in relazione l’energia di un fotone o una particella con la sua frequenza. Se tutti possono concordare sulle tecnologie per fare questo, il processo di ridefinizione dovrebbe essere completo per il 2015. Altre unità sono state già ridefinite in modi simili. Il metro venne definito come la lunghezza di una fetta della circonferenza della Terra, ma ora è definito come la distanza che la luce percorre in un certo tempo. Il secondo, una volta definito come frazione di un giorno, ora è definito come la durata di un preciso numero di transizioni in atomo di cesio.
Come sarà definito il chilogrammo in futuro?
Ci sono due modi in gara per prominenza. Un metodo definisce il chilogrammo come la massa di un certo numero di atomi di silicio-28. Il secondo usa un dispositivo di misura della massa chiamato “bilancia di Watt” per definire il chilogrammo in termini di voltaggio e corrente.
Com’è possibile contare gli atomi di silicio?
Sarà tutto rivelato nell’edizione di questa settimana del journal Physical Review Letters. Un team guidato dal metrologista Peter Becker del Federal Institute of Physical and Technical Affairs a Braunschweig, in Germania, rivela un importante passo avanti nel tentativo di misurare il numero di atomi in una sfera di silicio, che li ha portati a calcolare la costante di Avogadro con una accuratezza senza precedenti. Precedentemente, hanno usato dei laser per la scansione di una sfera di silicio puro, arrivando a misurarne il volume. Quindi hanno usato la diffrazione dei raggi-X per stimare il volume occupato da ogni atomo. Questo avrebbe portato ad un accurato conteggio del numero di atomi nella sfera, ma non è successo perchè il cristallo di silicio-28 conteneva un alto numero di isotopi di silicio-29 e silicio-30.
Usando una tecnica chiamata Diluizione Isotopica-Spettrometria di Massa, Becker e i colleghi ora hanno creato una sfera in cui gli isotopi Si-29 e Si-30 sono stati quasi completamente impoveriti. Come risultato, hanno calcolato la costante di Avogadro con una incertezza di 3.0×10^-8.
Becker ha detto a New Scientist questa settimana che se possono raffinare la loro tecnica ancora un poco, abbassando l’incertezza di misura a 2.0×10^-8, saranno pronti a presentare un metodo abbastanza buono da definire il chilogrammo come massa di un determinato numero di atomi di silicio-28.
Cosa possiamo dire del metodo della bilancia di Watt?
Una bilancia di Watt è essenzialmente una scala col prototipo del chilogrammo da un lato e un campo elettromagnetico che tira dall’altro. L’elettronica ultrasensibile, come le giunzioni di Josephson, potrebbe essere usata per calcolare stabilmente e in modo riproducibile la corrente e il voltaggio necessario a bilanciare il chilogrammo.
Il metodo definirebbe il chilogrammo in relazione alla costante di Planck.
Gli istituti di metrologia nel mondo stanno cercando di perfezionare il metodo della bilancia di Watt, ma ogni esperimento ha i suoi livelli di incertezza che devono essere superati. Il Concilio di Ricerca Nazionale del Canada, per esempio, ha segnalato un errore sistematico in una bilancia in Ighilterra che dev’essere sistemato.
Questo significa che c’è ancora molto da discutere prima di rimpiazzare il prototipo del chilogrammo?
Sì. Terry Quinn, ex capo dell’International Bureau of Weights and Measures, si aspetta che “la temperatura si alzi un pò” con la partenza della gara.
Paul Marks
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
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