Какой объект на земле ближе всего к истинной сфере?
Ответ заключается не в природе, а в шедевре человеческой науки и техники - сфере из сверхчистого кремния.
Насколько она круглая? Если кремниевый шар был бы размером с Землю, то на этом шаре расстояние между самым глубоким ущельем и самой высокой горой составило бы всего 5 метров. ... почти идеально.
Эта сфера — не случайный экспериментальный продукт, а научное чудо. Её название вписано в легенду физики: проект Авогадро.
✔ Уважаемые подписчики и гости! Не понравилась статья — оставь комментарий, почему, понравилась — обязательно лайк!
В настоящее время Avogadro планирует выпустить в общей сложности 7 кремниевых сфер. Стоимость изготовления этих сфер недешевая, стоимость каждой составляет около трех миллионов долларов. Эти 7 кремниевых сфер были использованы для точного измерения постоянной Авогадро, чтобы переопределить стандарт качества в килограммах.
Их чрезвычайно высокая точность необходима для обеспечения согласованности и стабильности Международной системы единиц измерения. Эти сферы являются одним из самых сложных научных инструментов в мире, представляющим высочайший уровень человеческих знаний в области научных измерений.
Эта история началась с 1990-х годов. Определение Международной системы единиц в то время переживало беспрецедентный кризис: первоначальный стандарт килограмма, представляющий собой цилиндр из платино-иридиевого сплава, хранящийся в Париже, со временем претерпел незначительные массовые изменения. Короче говоря, 1 килограмм — это уже не 1 килограмм.
Такого рода колебания в весе непредсказуемы и не поддаются контролю. Тем более они неприемлемы для тех научных областей, которые полагаются на точные измерения. Особенно в области фармацевтики, материаловедения и точного производства.
Далее, вполне закономерно, что группа ученых со всего мира решила найти совершенно новый стандарт качества, который не изменялся бы с течением времени.
Цель - не просто создать объект, а сделать его частью естественной константы. В результате родилась смелая идея: пересмотреть стандарт качества, изготовив идеальный шарик, если быть точным, шарик из кремния-28.
Почему был выбран изотоп кремний-28?
Поскольку кремний обладает чрезвычайно высокой термостойкостью и механической прочностью, на него почти не воздействуют изменения окружающей среды (такие как температура, влажность или давление). Более того, сам кремний обладает хорошей химической инертностью, и он вряд ли вступит в реакцию с кислородом или другими химическими веществами в воздухе после очистки, гарантируя, что его поверхность и объем останутся стабильными при длительном хранении.
В природе существует три основных изотопа кремния: кремний-28 (92,23%), кремний-29 (4,67%) и кремний-30 (3,10%). Абсолютное большинство приходится на кремний-28, поэтому очистка кремния-28 более экономична и технически осуществима, чем других изотопов.
Очищенный кремний-28 полностью состоит из одного и того же атома, что устраняет ошибку, вызванную разницей в массе и атомном радиусе между различными изотопами. Эта однородность необходима для расчета количества атомов и параметров решетки.
Этот шарик сделан на 99,9999% из сверхчистого кремния, но почему не на 100%?
Это связано с тем, что достичь истинной 100%-ной чистоты практически невозможно. Даже при использовании самой передовой технологии очистки трудно полностью устранить следовые примеси, поскольку на атомарном уровне любой материал будет подвергаться воздействию других атомов во внешней среде. Эти мельчайшие примеси могут попасть в материал во время экстракции, обработки или даже хранения. Достижение чистоты 99,9999% — это уже предел. Дальнейшая очистка не только чрезвычайно дорога, но и сопряжена с техническими проблемами, такими как межатомные взаимодействия и физические ограничения оборудования.
И вот платино-иридиевый сплав обладает высокой плотностью и коррозионной стойкостью, но из-за длительного воздействия окружающей среды его поверхность начинает адсорбировать загрязняющие вещества из воздуха, такие как влага, углекислый газ и органические соединения. Эти загрязняющие вещества, в свою очередь, и вызывают небольшую потерю массы.
Научные исследования показали, что килограммовые оригиналы из платино-иридиевого сплава имеют массовые отклонения, которые нельзя игнорировать в различных средах, и считается, что эти отклонения вызваны химической нестабильностью материала и длительным окислением поверхности.
Почему вы выбрали именно сферу в качестве формы эталонного объекта?
Сферическая форма обладает идеальной симметрией, так что площадь ее поверхности и объем могут быть точно рассчитаны с помощью математических моделей, что важно при измерении. По сравнению с другими формами, такими как кубы или объекты неправильной формы, симметрия сферы сводит к минимуму ошибки и обеспечивает высокую степень согласованности и повторяемости измерений.
Если будут выбраны другие формы, сложность измерения площади поверхности и объема резко возрастет, как бы это парадоксально не звучало. Кроме того, сферическая форма в наибольшей степени устраняет влияние неровностей поверхности, что важно для расчета точного количества атомов.
Что еще более важно, форма сферы остается однородной при воздействии силы, а это означает, что во время транспортировки и хранения сферу тяжелее деформировать, гарантируя стабильность и неизменность ее физических свойств. Эта стабильность как раз и является основой, необходимой для пересмотра Международной системы единиц измерения.
Процесс производства кремниевых шариков чрезвычайно сложен.
Сначала из природного кремния был выделен изотоп кремний-28. Этот этап требует использования высокоточного оборудования, такого как газовая центрифуга, для повышения чистоты кремния до 99,9999% для обеспечения качества и стабильности конечного продукта.
После этого высокочистый газообразный кремний-28 наносится на затравочные кристаллы методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) для выращивания крупногабаритных слитков монокристаллического кремния. Этот процесс необходимо проводить в сверхчистой среде, чтобы предотвратить попадание загрязнений.
Затем слиток монокристаллического кремния разрезается на грубую заготовку, близкую к сферической форме. В процессе резки необходимо использовать высокоточные алмазные инструменты, чтобы обеспечить точность размера. Грубая заготовка подвергается точной шлифовке и многократной полировке, постепенно приближаясь к идеальной сферической форме. В этом процессе используются наноразмерные абразивы и полирующие жидкости для обеспечения предельной гладкости и округлости поверхности.
Чтобы гарантировать, что каждая часть шара практически идеальна, ученые использовали для измерений передовые методы, такие как лазерные интерферометры и рентгеноструктурный анализ кристаллов. Согласно результатам измерений, сфера подвергается точной настройке до тех пор, пока ее отклонение не будет контролироваться на нанометровом уровне.
Основываясь на этом, ученые смогли точно рассчитать почти идеальную постоянную Авогадро, тем самым обеспечив стабильную основу для нового определения Международной системы единиц. Таким образом, определение килограмма позволяет распрощаться с погрешностью платино-иридиевого сплава и реализовать действительно единый во всем мире стандарт.
Интересный факт: международный килограммовый артефакт — цилиндр из платино-иридиевого сплава, определял «1 килограмм» последние 139 лет.
Спасибо, что дочитали до конца!
Ставьте лайки и подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀