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時間:2024-12-23 08:03:01 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 編輯:娛樂
在地球上,哪一個物體最接近真正意義上的“圓”?答案并非大自然的饋贈,而是人類科技的巔峰杰作——由超純硅制成的球體。圖源:nist有多圓?如果硅球有地球那
在地球上,世界上最世界哪一個物體最接近真正意義上的物體萬“圓”?
答案并非大自然的饋贈,而是個價改變人類科技的巔峰杰作——由超純硅制成的球體。
圖源:nist
有多圓?值千如果硅球有地球那么大,那么在這顆球上,世界上最世界最深溝壑的物體萬和最高的山峰之間只有 5 米……近乎完美。
這顆球體不是個價改變一件隨意的實驗產(chǎn)物,而是值千一個科學(xué)奇跡,它的世界上最世界名字被寫進了物理學(xué)的傳奇:阿伏伽德羅計劃。
阿伏伽德羅計劃 圖源:sci-galary
目前,物體萬全球共有 7 顆阿伏伽德羅計劃的個價改變硅球,這些球體的值千制造成本極其昂貴,每顆的世界上最世界價值約為三百萬美元。這 7 顆硅球被用來精確測量阿伏伽德羅常數(shù),物體萬以重新定義千克的個價改變質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
它們的極高精度對于確保國際單位制的一致性和穩(wěn)定性至關(guān)重要,這些球體也是世界上最精密的科學(xué)儀器之一,代表了人類在科學(xué)測量領(lǐng)域的最高水平。
這個故事要從上世紀(jì)九十年代開始講起。國際單位制的定義當(dāng)時面臨著一場前所未有的危機:原始的公斤標(biāo)準(zhǔn)——一個存放在巴黎的由鉑銥合金制成的圓柱體,隨著時間的推移出現(xiàn)了微小的質(zhì)量變化。簡言之,1 千克不再是 1 千克了,它不準(zhǔn)了。
原始的公斤標(biāo)準(zhǔn)大 K 圖源:courtesy of BIPM
這種漂移是無法預(yù)測和控制的,對于那些依賴精確測量的科學(xué)領(lǐng)域來說,這是不可接受的。
特別是在制藥、材料科學(xué)和精密制造等領(lǐng)域,微小的質(zhì)量變化會導(dǎo)致實驗結(jié)果的不一致,進而影響產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。這些領(lǐng)域需要絕對穩(wěn)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),以確保全球范圍內(nèi)的測量和生產(chǎn)具有一致性。
于是,一群來自世界各地的科學(xué)家,決定尋找一種全新的、不會隨時間漂移的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
德國的物理學(xué)家安德烈亞斯博士,是這項計劃的核心人物之一。他曾在德國國家計量研究院(PTB)擔(dān)任高級研究員,專注于精密測量和計量學(xué)研究。
在阿伏伽德羅計劃中,安德烈亞斯博士領(lǐng)導(dǎo)了硅球的制造和測量工作,確保其達到前所未有的精度。
他曾在采訪中提到過,“我們的目標(biāo)不僅僅是制造一個物體,而是要讓它成為自然常數(shù)的一部分。”于是,一個大膽的設(shè)想誕生了:通過制造一個完美的硅球來重新定義質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)確來說是硅-28 球。
圖源:MDPI
那么,為什么選擇硅-28 同位素?
因為硅具有極高的熱穩(wěn)定性和機械強度,不易受環(huán)境變化(如溫度、濕度或壓力)的影響。而且硅本身具有良好的化學(xué)惰性,提純后幾乎不會與空氣中的氧氣或其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),確保其表面和體積在長期存儲中保持穩(wěn)定。
硅在自然界中存在三種主要同位素:硅-28(92.23%)、硅-29(4.67%)和硅-30(3.10%)。硅-28 占絕對多數(shù),因此提純硅-28 比其他同位素更經(jīng)濟且技術(shù)可行。
圖源:Wikipedia
提純后的硅-28完全由同一種原子組成,消除了不同同位素間質(zhì)量和原子半徑差異帶來的誤差。這種均勻性對計算原子數(shù)量和晶格參數(shù)至關(guān)重要。
圖源:springer
這顆硅球由 99.9999% 的超純硅制成,但為什么不是 100% 呢?
這是因為在現(xiàn)實中,真正的 100% 純度幾乎是不可能達到的。
即使是最先進的提純技術(shù),也難以完全消除微量雜質(zhì),因為在原子級別上,任何材料都會受到外部環(huán)境中的其他原子的影響。
這些微小的雜質(zhì)可能在提取、加工甚至存儲的過程中進入材料。達到 99.9999% 的純度已經(jīng)是一個極限,進一步提純不僅成本極高,而且在技術(shù)上面臨原子間相互作用和設(shè)備的物理極限等挑戰(zhàn)。
與之相比,鉑銥合金雖然具有高密度和抗腐蝕的特性,但由于長期暴露在環(huán)境中,其表面會吸附空氣中的污染物,如水分、二氧化碳和有機化合物,這些污染物會導(dǎo)致微小的質(zhì)量損耗。
這種質(zhì)量的變化是不可預(yù)測的,并且在經(jīng)過多年后,即使是微小的變化也會導(dǎo)致質(zhì)量定義的不一致性。
科學(xué)研究表明,鉑銥合金公斤原器在不同環(huán)境中出現(xiàn)了無法忽略的質(zhì)量漂移,而這些漂移被認(rèn)為是由于材料的化學(xué)不穩(wěn)定性和長期的表面氧化導(dǎo)致的。
圖源:heason
為什么選擇球體作為阿伏伽德羅計劃中硅基準(zhǔn)物體的形狀?
球形具有完美的對稱性,使得它的表面積和體積可以通過數(shù)學(xué)模型精確計算,這在測量中至關(guān)重要。相比于其他形狀,如立方體或不規(guī)則物體,球體的對稱性使得誤差最小化,確保了測量的高度一致性和可重復(fù)性。
如果選擇其他形狀,表面積和體積的測量復(fù)雜性會急劇增加,從而導(dǎo)致更多的誤差累積。此外,球形還在最大程度上消除了表面不均勻性帶來的影響,這對計算精確的原子數(shù)量至關(guān)重要。
更重要的是,一個球體的形狀在受力時是均勻的,這意味著在運輸和存儲過程中,球體不易發(fā)生形變,確保其物理特性穩(wěn)定不變。這種穩(wěn)定性正是重新定義國際單位制時所需要的基礎(chǔ)。
圖源:網(wǎng)絡(luò)
硅球的制作過程極為復(fù)雜的。
首先,從天然硅中分離出硅-28 同位素。這一步驟需要使用氣體離心機等高精度設(shè)備,將硅的純度提升至 99.9999% ,以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。
之后,將高純度的硅-28 氣體通過化學(xué)氣相沉積法(CVD)沉積在種子晶體上,生長出大尺寸的單晶硅錠。這一過程需要在超潔凈的環(huán)境中進行,以防止雜質(zhì)的引入。
圖源:網(wǎng)絡(luò)
接著,將單晶硅錠切割成接近球形的粗坯。切割過程中需使用高精度的金剛石工具,確保尺寸的準(zhǔn)確性。對粗坯進行多次精密研磨和拋光,逐步接近完美的球形。
在此過程中,使用納米級的研磨劑和拋光液,確保表面光滑度和圓度達到極限。
圖源:PBS
為了確保這顆球的每個部分都近乎完美,科學(xué)家們還使用了激光干涉儀和X射線晶體分析等先進技術(shù)進行測量。
根據(jù)測量結(jié)果,對球體進行微調(diào),直至其偏差控制在納米級別。這些技術(shù)不僅幫助他們確保了球的完美形狀,也為之后通過計算原子數(shù)量來定義阿伏伽德羅常數(shù)鋪平了道路。
基于這顆硅球,科學(xué)家們得以精確地計算出一個近乎完美的阿伏伽德羅常數(shù),從而為國際單位制的新定義提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。這樣,千克的定義告別了鉑銥合金的漂移誤差,實現(xiàn)了真正的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
2018 年 11 月 16 日,法國凡爾賽宮里,一場極具歷史意義的科學(xué)會議正在進行。在這一天,全世界的科學(xué)家們共同為一位“退位者”送行:國際千克原器——那塊在過去 139 年中定義“1 千克”的鉑銥合金圓柱體。
這塊保存了百余年的鉑銥合金圓柱體,曾是全球重量單位“1千克”的基準(zhǔn)。圖源:NIST
取而代之的,則是今天介紹的世界上最圓的球。它,成為了基于自然界恒定常數(shù)的新千克定義。
圖源:Enrico Massa and Carlo Sasso
從地球的角落,到原子的世界,人類從未停止過追尋極致的腳步。而這顆硅球,不僅圓滿了物理學(xué)的夢想,也讓我們看到了科學(xué)本身的無限可能。
這不僅僅是一個關(guān)于質(zhì)量單位的故事,更是人類心靈的探索——一種對極致之美的不懈追求,一次從微觀到宏觀的偉大旅程。
參考文獻
[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/
策劃制作
來源丨把科學(xué)帶回家(ID:steamforkids)
作者|蘇澄宇
責(zé)編丨楊雅萍
審校丨徐來、林林
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