БИПМ - Авогадро проект

Константа Авогадро и ревизия СИ

Константа Авогадро выражает число элементарных сущностей в моль вещества. В настоящем СИ, по определению, { N A} атомов углерода-12 весят ровно 12 граммов. [1]

В настоящее время новый подход для определения и реализации единицы массы СИ ( килограмм ) расследуется. По существу, килограмм может быть определен как масса { N A} * 1000/12 атомов углерода-12 путем фиксирования числового значения N A. Чтобы это переопределение имело место, N A должно быть точно известно в настоящем Международная система единиц СИ Это является целью международного проекта по координации Avogadro (IAC). В этом контексте была рекомендована относительная неопределенность в 2 & times; 10-8 для N A; увидеть Рекомендация G1 (2010 г.), подготовленная Консультативным комитетом по массе и связанным с этим количествам (СКК) ,

Переопределение килограмма может также основываться на фиксированном численном значении Постоянная Планка, ч , В этом случае точное определение N A все равно будет иметь решающее значение, поскольку оно обеспечит альтернативный метод определения h через молярную постоянную Планка, N A h, которая известна с очень небольшой относительной неопределенностью ( 2014 CODATA рекомендует значения фундаментальных констант ):

u ( N A h ) / N A h = 4,5 × 10-10

Авогадро проект

Международный проект по координации Авогадро (IAC) официально начался как международный проект, целью которого было определить постоянную Авогадро N A с относительной неопределенностью, равной или меньшей 2 × 10-8, с использованием кристалла кремния, обогащенного изотопами.

Первоначально IAC работал с 2004 по 2011 год как сотрудничество между BIPM, INRIM (Италия), IRMM (Бельгия), NIST (США), NMIA (Австралия), NMIJ / AIST (Япония), NPL (США). Королевство) и ПТБ (Германия). Сотрудничество было возобновлено в 2012 году Меморандумом о взаимопонимании между BIPM, INRIM, NMIA, NMIJ и PTB.

В рамках первоначального IAC в 2011 году постоянная Авогадро была определена как

N A = 6,022 140 82 (18) × 1023 моль -1
с относительной неопределенностью 3,0 и раз 10-8

Усовершенствования экспериментов во время продолжающегося сотрудничества привели к публикации самого последнего определения постоянной Авогадро в 2015 году:

N A = 6,022 140 76 (12) × 1023 моль -1
с относительной неопределенностью 2,0 и раз 10-8



1. Константа Авогадро N A = { N A} [моль − 1].

Принцип измерения N A

Чтобы связать килограмм с атомной массой, число атомов кремния в двух 1 кг монокристаллических кремниевых сферах определяется путем использования их упорядоченного расположения в кристалле. Сферы высокообогащены (99,995%) изотопом 28Si. Выражение постоянной Авогадро основано на следующем уравнении:

где n , ρ , M и a - соответственно число атомов в элементарной ячейке ( n = 8), плотность, молярная масса и параметр решетки кристалла.

Этот новый подход с использованием кристалла кремния, обогащенного изотопами, преодолевает ранее ограничивающую проблему точного определения изотопного состава кристалла природного кремния. В эксперименте используется масс-спектрометрия с изотопным разбавлением (IDMS) в сочетании с масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой с множественным коллектором для определения молярной массы обогащенного материала 28Si с беспрецедентной точностью. Изотопный состав, молярная масса, масса, объем, плотность и параметр решетки двух сфер весом 1 кг 28 Si были точно определены, а их поверхности были химически и физически охарактеризованы на атомном уровне (подробности см. В Метрология , 2011, 48 (2), S1-S13 ). Концентрация примеси и градиенты в обогащенном кристалле измерялись с помощью инфракрасной спектроскопии и учитывались.

Производство двух сфер (рис. 2) началось в 2004 году с изотопного обогащения газа SiF4 путем центрифугирования в Центральном конструкторском бюро машиностроения в Санкт-Петербурге (Российская Федерация). Обогащенный газ был впоследствии преобразован в SiH4, а химическое осаждение из паровой фазы использовалось для выращивания поликристалла в Институте химии особо чистых веществ Российской академии наук. В 2007 году Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (Германия) выращивал 5-килограммовый були весом 5 кг. Две сферы 28Si, AVO28-S5 и AVO28-S8, были изготовлены из були и были сформованы в почти идеальные сферы австралийским центром точной оптики. Кремний был выбран потому, что он может быть выращен в большие, высокочистые и почти идеальные монокристаллы




Специальный выпуск Метрологии по международному определению константы Авогадро посвящен объяснению различных измерений.

В контексте проекта IAC необходимо определить массу m двух кремниевых сфер AVO28-S5 и AVO28-S8. Эта масса m представляет массу ядра монокристаллического ядра кремния m, исключая массу оксидного слоя m оксида, сорбции воды m wat.sorpt, точечных дефектов m def и любых других возможных загрязнителей (углеводородов и т. Д.). ), м продолж.

Таким образом, масса ядра сферы может быть записана как:

m core = m tot - m оксид - m wat.sorpt - m def - m cont (1)

где m tot представляет общую массу сферы, которая измеряется в вакууме по отношению к стандарту массы 1 кг Pt / Ir, прослеживаемому до Международный Прототип Килограмма , который всегда поддерживается в воздухе.

Масса m wat.sorpt состоит из двух разных терминов:

m wat.sorpt = m вода (об.) + м вода (irrev) (2)

м воды (об.) соответствует обратимой, физически поглощенной части водяного пара, адсорбированного на поверхности сферы, которая удаляется путем помещения сферы в вакуум при комнатной температуре. м воды (об.) оценивали с использованием артефактов сорбции, следуя методике, разработанной BIPM (см. Эффекты адсорбции водяного пара а также [2] ).

Необратимую, хемосорбированную, адсорбированную воду и воду на шарике лучше всего удалить выпеканием в вакууме или в нейтральном сухом газе.

Любой возможный слой углеродистого загрязнения может быть удален в достаточной степени с помощью соответствующей процедуры очистки непосредственно перед измерением массы.

Для определения массы кремниевого ядра массу поверхностных слоев вычитали из массы сферы. В этом проекте задачей массовых лабораторий было определение общей массы сферы ( m tot) с максимальной точностью в вакууме (от 10–3 Па до 0,1 Па) с учетом массы физически поглощенной воды ( м воды ( об)). Другие члены уравнения (1) и (2) оцениваются из отдельных экспериментов, проведенных членами IAC. Толщина и химический состав поверхностного слоя были охарактеризованы независимо от определения массы путем измерений с использованием таких методов, как рентгенофлуоресцентный анализ (XRF), рентгеновская спектроскопия тонкой структуры ближнего края (NEXAFS), рентгеновская рефлектометрия (XRR), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и оптическая спектральная эллипсометрия (SE). Результаты этих исследований были рассмотрены для определения массы кремниевого ядра и постоянной Авогадро.

Определение постоянной Авогадро в рамках проекта Международной координации Авогадро (МАК) требует определения массы кремниевых сфер. Поэтому сравнение масс в воздухе и в вакууме двух сфер 28Si (AVO28-S5 и AVO28-S8) по отношению к стандартам Pt-Ir килограмм прослеживается до Международный Прототип Килограмма (ИПК) были проведены в BIPM (пилотная лаборатория), NMIJ и PTB. Первоначальная целевая неопределенность, установленная IAC для массы сфер, составляла 5 мкг (5 частей в 109). Подходящие вакуумные компараторы массы были доступны в течение нескольких лет, что позволяет определять массу 1 кг кремниевых сфер в условиях вакуума (от 10–3 Па до 0,1 Па). Вследствие переноса воздух-вакуум (эффекты адсорбции водяного пара [1]) эталонных стандартов пришлось учитывать поправки на сорбцию, которые определялись с помощью артефактов сорбции.

Измерения, проведенные в этом контексте на BIPM в 2008 и в 2009 годах, показывают, что разница в массе между условиями воздуха и вакуума для обеих сфер была в пределах 7 мкг. Соглашение между тремя лабораториями было в пределах 10 мкг и 20 мкг соответственно для сфер AVO28-S5 и AVO28-S8. Результаты трех лабораторий были усреднены с учетом корреляции между результатами. Результаты, полученные для сфер AVO28-S5 и AVO28-S8, показывают, что при использовании артефактов воздушной плавучести [2] и артефактов сорбции можно получить значения массы с относительной неопределенностью около 4 частей в 109 [3]. Тот факт, что транспортировка сфер между лабораториями в условиях окружающей среды не представляла проблемы, была обусловлена ​​очень эффективным методом очистки, разработанным NMIA.

В рамках продолжающегося сотрудничества Avogadro, начатого в 2012 году, массы сфер вновь были определены теми же тремя лабораториями. Во время этой работы поверхности сфер были дезактивированы и отполированы, чтобы получить поверхность без металлического загрязнения и с улучшенной сферичностью. Измерения BIPM были проведены в начале 2014 года, во время Внеочередной калибровки в отношении IPK. Это позволило установить массы сфер относительно массы ИПК с очень небольшой неопределенностью - около 4,4 мкг в вакууме и 13 мкг в воздухе. Результаты BIPM, NMIJ и PTB согласованы в рамках неопределенностей. Это позволило рассчитать средневзвешенное значение трех результатов с неопределенностью 3,5 мкг, то есть 3,5 части в 109. Эта неопределенность незначительна по отношению к другим вкладам в общую неопределенность определения постоянной Авогадро (20 частей в 109 ), опубликовано в 2015 году [4].


[1] Методы определения сорбции водяного пара по нормативам массы Метрология , 2004, 41 , 333-339 [2] Массовые сравнения с использованием артефактов воздушной плавучести Метрология , 2004, 41 , 330-332 [3] Современное массовое определение сфер 28Si для проекта Avogadro Метрология , 2011, 48 , S112-S119 [4] Улучшенные результаты измерений для постоянной Авогадро с использованием обогащенного кристаллом 28Si Метрология , 2015, 52 , 360-375

Опубликованные результаты

В 2011 году МАК опубликовал определение постоянной Авогадро,

N A = 6,022 140 82 (18) × 1023 моль – 1
(относительная неопределенность 3,0 x 10–8)

который был в то время самым точным определением фундаментальной константы, которую можно использовать для нового определения килограмма.

Во время кампании по калибровке с Международным прототипом килограмма в 2014 году наблюдалось смещение установленной шкалы массы BIPM. Коррекция результата IAC (2011) для этого смещения приводит к значению N A = 6,022 140 99 (18) × 1023 моль – 1.

Затем сотрудничество продолжилось с целью уменьшения неопределенности. Две обогащенные сферы 28Si были очищены от металлического загрязнения их поверхности и отполированы для улучшения сферичности. Новые измерения были сделаны на переработанных сферах с использованием улучшенных методов и аппаратуры. Новый результат был опубликован в 2015 году:

N A = 6,022 140 76 (12) × 1023 моль – 1
(относительная неопределенность 2,0 x 10–8)



Список используемой литературы

Специальный выпуск Метрологии по международному определению константы Авогадро посвящен объяснению различных измерений.

Результаты Международного координационного проекта Avogadro были опубликованы в 2011 и 2015 годах:

• Андреас Б., Азума Ю., Бартл Г., Беккер П., Беттин Х., Борис М., Буш Б., Грей М., Фукс П., Фуджи К., Фуджимото Х., Кесслер Е., Крумрей М. ., Kuetgens U., Kuramoto N., Mana G., Manson P., Massa E., Mizushima S., Nicolaus A., Picard A., Pramann A., Rienitz O., Schiel D., Valkiers S., Васеда А. Определение постоянной Авогадро путем подсчета атомов в кристалле 28Si, Phys. Преподобный Летт. 2011, 106 , 030801


• Андреас Б., Азума Ю., Бартл Г., Беккер П., Беттин Г., Борис М., Буш И., Фукс П., Фуджи К., Фуджимото Х., Кесслер Е., Крумрей М., Кютгенс У ., Курамото Н., Мана Г., Масса Е., Мидзусима С., Николаус А., Пикард А., Праманн А., Риениц О., Шиль Д., Валькерс С., Васеда А., Закель С., Метрология , 2011, 48 , S1-S13


• Азума Й., Барат П., Бартл Г., Беттин Х., Борис М., Буш И., Цибик Л., Д'Агостино Г., Фуджи К., Фуджимото Х., Хиоки А., Крумрей М., Кютгенс У., Курамото Н., Мана Г., Масса Е., Ми? Р., Мидзусима С., Нарукава Т., Николаус А., Праманн А., Рабб С.А., Риниц О., Сассо С., Сток М., Воке Р.Д., Васеда А., Вундрак С., Закель С., Улучшенный результаты измерения постоянной Авогадро с использованием кристалла, обогащенного 28Si, Metrologia , 2015, 52 360-375


• Мана Г., Масса Э., Сассо С.П., Сток М., Фуджи К., Курамото Н., Мидзусима С., Нарукава Т., Борис М., Буш И., Николаус А., Прамаан А. и др . , Корреляция измерений N A путем подсчета атомов 28Si, J. Phys. Химреагент Ссылка Данные , 2015, 44 , 031209

Другие публикации, касающиеся измерений массы в сферах BIPM, можно найти по адресу:

• Пикард А., Бигнелл Н., Борис М., Даунс С., Мидзусима С. Сравнение массы кремниевой сферы AVO № 3 весом 1 кг, сопоставимой с Международным прототипом К, Метрология , 2009, 46 (1) , 1-10


• Пикард А. Первичная калибровка массы кремниевых сфер . Sci. Technol. 2006, 17 , 2540-2544


• Пикард А. Определение массы кремниевой сферы весом 1 кг для проекта Авогадро, Метрология , 2006, 43 (1) , 46-52

Похожие