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Physiker zählen die Anzahl der Atome in 1 kg Silizium
Wie viele Atome hat ein Kilogramm Silizium? Diese Zahl ist die Konstante von Avogadro, und ihr Wert zu erarbeiten ist eine der wichtigeren Aufgaben, denen sich Materialwissenschaftler stellen müssen.
Heute gibt eine Gruppe von Physikern die Antwort. Sie sagen, es gibt 6.02214084(18) × 10^23 Atome in einem Einkristall aus Silizium mit einem Gewicht von etwa einem Kilogramm. Und sie sagen, dass sie wissen, dass dies richtig ist, weil sie sie gezählt haben. Ja, habe sie gezählt.
Tatsächlich zählten sie die Anzahl der Atome in einer Volumeneinheit Silizium und maßen die Größe dieses Volumens. Wie oft dies in einen Klumpen von genau 1 Mol einer nahezu perfekten Einkristallkugel aus Silizium passt, ist die Zahl von Avogadro.
Diese Zahl so genau ermittelt zu haben, ist sicherlich eine wichtige Arbeit, aber wie beeindruckend die monumentalen Bemühungen des internationalen Konsortiums dahinter relativiert werden.
Die Arbeiten begannen 2004, als eine russische Gruppe im Central Design Bureau of Machine Building in St. Petersburg eine Probe von Siliziumfluorid mit einem bestimmten Isotopengehalt herstellte. Ein Team des Instituts für Chemie Reinststoffe der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nischni-Nowgorod hat daraus dann einen Polykristall aus Siliziumhydrid hergestellt, den eine Gruppe des Leibniz-Instituts für Kristallzucht in Berlin verwendet hat, um einen 5 kg schweren Klumpen reines monokristallines Silizium im Jahr 2007.
Das Australian Centre for Precision Optics entnahm dann Proben aus diesem Klumpen und formte sie zu quasi perfekten Kugeln. Aus dem Rest des Siliziums stellten sie dann ein Röntgeninterferometer her, um dessen Kristallstruktur zu bestimmen. Sie maßen auch die Oberflächen von Kristallen, um zu sehen, welche Art von Crud sich dort aufgebaut hatte und daher bei den abschließenden Berechnungen berücksichtigt werden musste. (Auf der Oberfläche hatten sich verschiedene Kupfer-, Nickel- und Siliziumoxide abgelagert.)
Verschiedene Gruppen maßen dann die Masse der Kugeln, indem sie sie mit den Platin-Iridium-Prüfkilogrammen der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Deutschland, des National Metrology Institute of Japan in Tskuba und des Bureau International des Poids et Mesures in Frankreich verglichen .
Anschließend maß das Team das Volumen der Kugeln mit optischer Interferometrie. Und der Isotopengehalt wurde von Teams der Universität Warschau, des Instituts für Bodenschätze der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Instituts für Physik der Mikrostrukturen der Russischen Akademie der Wissenschaften gemessen.
Schließlich wurde die Anzahl der Atome in der Probe von einem Doktoranden mit einer Lupe und einer Pinzette bestätigt.
Okay, das habe ich mir ausgedacht.
Das Ergebnis lässt sich gut mit anderen Messungen der Avogadro-Konstante vergleichen, die mit einer anderen Methode durchgeführt wurden.
Unser Ergebnis führt zu konsistenteren Zahlenwerten für die fundamentalen physikalischen Konstanten, sagt diese internationale Gruppe.
Das ist von mehr als akademischem Interesse. Die Hoffnung besteht darin, eines Tages die Platin-Iridium-Kilogramme loszuwerden, die die Angewohnheit haben, jedes Mal ein paar Atome zu verlieren, wenn eine Brise die Luft um sie herum aufwirbelt, oder schlimmer noch, jedes Mal, wenn ihr alter Wachmann niest, ein paar Atome zu gewinnen.
An seine Stelle tritt eine Definition des Kilogramms basierend auf einem genau festgelegten Wert für die Avogadro-Zahl. Der erhaltene Wert, 6,02214084(18) x 10^23 mol^-1, ist der genaueste Eingabewert für eine neue Definition des Kilogramms, sagt das Team.
Das reicht nicht ganz aus, um das vorhandene Kilogramm zu ersetzen. Aber mit ein paar weiteren Jahren und der Hilfe der meisten Materialwissenschaftler auf dem Planeten sollten wir es irgendwann schaffen.
Ref: arxiv.org/abs/1010.2317 : Eine genaue Bestimmung der Avogadro-Konstante durch Zählen der Atome in einem Si-28-Kristall
Update: Ein paar Kommentatoren haben darauf hingewiesen, dass ein Mol Silizium 28g und kein Kilogramm wiegt und dass ich über diese Geschichte völlig verwirrt zu sein scheine. Sie sind natürlich völlig richtig. Moral: Schreibe niemals einen Blogbeitrag nach Mitternacht!