Hacia una definición de kilogramo
Ya se está muy cerca de una definición de patrón de kilogramo que se reproducible.
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La definiciones de unidades han cambiado en el tiempo y casi ya todas ellas pueden ser reproducidas en un laboratorio equipado y así uno puede tener un metro (la distancia recorrida por la luz en una fracción precisa de tiempo) un voltio o cualquier otro patrón de unidad en cualquier sitio. Bueno, cualquier otra unidad menos el kilogramo. Hasta ahora no hemos sido capaces de encontrar una buena definición reproducible de kilogramo, por lo que el kilo de platino iridiado que se guarda en París (del que se han hecho copias en otros países), y que sirve de definición de kilogramo, se saca muy pocas veces de su custodia para evitar desgastes que cambien su masa. Este cilindro (y sus seis copias) gana masa debido al polvo y lo pierde cuando se le somete a un baño de vapor para limpiarlo. Se estima que ha perdido 50 microgramos en un siglo.
Desde hace algún tiempo se hacen esfuerzos para obtener una buena definición de kilogramo. Ahora, avances en la definición del número de Avogadro permiten decir que un kilogramo de silicio contiene 6.02214084(18) × 1023 átomos de ese elemento.
Recordemos que el número de Avogadro es el número de átomos o moléculas en un mol de una sustancia en particular. Así que si podemos relacionar masa molar con masa y volumen podemos definir el kilogramo.
Ahora un consorcio científico ha conseguido determinar la masa molar del silicio con muy buena precisión. Han podido contar los átomos de un kilogramo de silicio en forma de monocristal ultrapuro esférico con alta precisión. La técnica de conteo se basa en medir el volumen de dicho cristal. Para poder realizar este logro ha hecho falta el establecimiento de un consorcio internacional compuesto por varios grupos de investigadores.
Todo empezó en 2004 con los esfuerzos de un grupo ruso y un bloque de silicio y siguió en 2007 con otro grupo ruso en colaboración de un grupo alemán trabajando con un monocristal de 5 kilogramos enriquecido al 99.99% en silicio 28.
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El Centro Australiano de Óptica de Precisión ha tomado ahora estos monocristales de silicio proporcionados por el grupo ruso y los ha convertido en esferas casi perfectas. Con un interferómetro de rayos X determinaron su estructura cristalina. En concreto la distancia interatómica entre los átomos equiespaciados del monocristal y que permite calcular el número de átomos que hay si se conoce el volumen.
Además, midieron con extremada precisión la superficie de dichas esferas para asegurarse que no había imperfecciones antes de hacer los cálculos finales. Para medir el volumen de las esferas se usó interferometría óptica. Para hacernos una idea, si estas esferas fueran del tamaño de la Tierra las montañas más altas tendrían 3 metros de altura como máximo.
Otros grupos de investigadores han medido las masas de estas esferas en relación a los patrones de kilogramo guardados en Francia, Alemania y Japón.
En la medida del contenido isotópico participaron grupos de investigadores polacos y chinos.
El resultado permite decir que este método es el mejor hasta el momento para definir el kilo y permitirá obtener valores numéricos mejores de las constantes físicas en las que estén involucradas masas. Sin embargo, de momento parece que la precisión alcanzada (30 partes en mil millones) no permite eliminar a los patrones de kilogramo que usamos ahora. Quizás en un futuro cercano de poco más de dos años sí pueda ser, cuando se alcance una precisión mayor de 20 partes en mil millones, y se solicite al Comité Internacional de Pesas y Medidas que cambie la definición de kilogramo.
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Fuentes y referencias:
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8 Comentarios
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viernes 29 octubre, 2010 @ 12:13 pm
Quizá sea una tontería, pero ¿por qué no aplicar e=mc2 a la energía asociada a una transición atómica para convertirla en una masa? ¿Hay un problema de precisión?
Saludos
domingo 31 octubre, 2010 @ 7:59 pm
Hasta donde sé el peso depende de la fuerza de gravedad terrestre. En la luna, los astronautas daban grandes saltos, porque su peso, era «menor», es decir en proporción a la gravedad lunar.
Se ha visto, que la constante g puede cambiar en distintas regiones de la tierra.
De modo que inferir el peso a partir de la microfisica, como parece sugerir Joabbl, es de lo mas atinado.
lunes 1 noviembre, 2010 @ 2:58 pm
Juan Díaz: Es que no estamos hablando de peso sino de masa. El kg es una unidad de masa y es aquí igual que en la Luna. Otra cosa es el llamado kilogramo-peso o kilopondio que se corresponde, para decirlo con mi proverbial brevedad, al peso en la Tierra, considerando una gravedad estándar, al peso de un kg-masa.
Si tu pesas un objeto en una balanza de muelles, o en un dinamómetro, estás hallando su medida en kg-peso, porque tratas con fuerzas, la del muelle y la gravitatoria. Si lo haces en una balanza de las que por aquí llamamos «romanas» o en una balanza de dos platillos iguales estás comparando, simultáneamente, pesos y masas aunque, en puridad, comparas también sólo pesos ya que damos por sentado que, al hacerse la medida en un pequeño lugar, la gravedad será la misma y por ello deducimos que siendo el peso igual, también lo será la masa. Pero si los brazos fueran tan grandes que la gravedad no fuese la misma, la balanza de brazos iguales se equilibraría con la igualdad de pesos por lo que las masas serían distintas.
En la esperanza de haberte sido útil y breve, recibe un saludo.
lunes 1 noviembre, 2010 @ 3:34 pm
joabbl: Estoy totalmente de acuerdo contigo. Pero sucede que eso ya está hecho. La equivalencia es 1kg = 5´6 x 10^29MeV/c^2.
Lo que no comprendo bien es por qué hay que hacer un objeto, la esfera del artículo, que también perderá masa si lo tocas y le arrancas un átomo o que aumentará su masa a poco que se combine con algo en esa superficie, ahora que tan difícil es evitar la contaminación.
Pero hay más cosas que no comprendo, p. e. por qué, incluso las unidades que ya están perfectamente definidas, no lo han sido con los números más redondos posibles. Para mí, así, sin pensar mucho, sería más fácil definir el metro como 1/300.000.000. del recorrido de la velocidad de la luz en el vacío. Pero son cosas mías sin importancia. Ahí tienes las unidades de Plank que parecen no tener problemas.
Pero, desde luego reniego de la materialización de cualquier unidad, salvo para aproximaciones domésticas y que la gente tenga una idea de ellas a la medida del hombre. Podrían estar en el museo de cualquier pueblín aunque precisasen de una certificación.
lunes 1 noviembre, 2010 @ 3:39 pm
Neo: Que ha cambiado la hora. Me acabo de dar cuenta al ver la que les ha tocado a mis comentarios.
Un saludo a destiempo.
lunes 1 noviembre, 2010 @ 4:11 pm
Estimado Tomás:
Lo importante no son las bolitas en cuestión, sino el protocolo para su fabricación. Si se desgastan se tiran y, gracias al protocolo, se crean otras que tienen la masa adecuada otra vez.
Gracias por recordar lo de la hora.
Un saludo
lunes 8 noviembre, 2010 @ 10:15 am
Un problema obvio de estas esferas es que el silicio forma cuando es expuesto al aire una capa pasivante de oxido (SiO2). Este hecho ha sido tenido en cuenta por los cientificos rusos (he leido el articulo original) pero creo que dado que el oxido adsorbe cantidades variables de agua y que su grosor no siempre va a ser el mismo, no creo que valga para una referencia de masa estable en el tiempo
lunes 8 noviembre, 2010 @ 3:35 pm
Sí ha sido tenido en cuenta. La primera foto describe precisamente esa capa de dióxido de silicio.