Wetenschappers uit acht landen hebben met grote precisie het aantal atomen in een bol silicium bepaald. Het uiteindelijke doel: een nieuwe definitie van het kilogram.
Momenteel is het kilogram gedefinieerd als de massa van één bepaalde cilinder die wordt bewaard in Parijs. Helaas is de massa van dit voorwerp, gemaakt van platina en iridium, in de loop der jaren niet constant gebleken. Niet zo gek dus dat er wordt gedacht over een nieuw kilogram, niet gebaseerd op een klomp metaal, maar op een onveranderlijke natuurconstante.
Eén team dat hier al sinds 2004 aan werkt, heeft nu een belangrijke stap gezet: onderzoekers uit Duitsland, Japan, Australië en andere lande telden het aantal atomen in bollen silicium van één kilogram. Uit dit aantal deeltjes konden ze vervolgens een heel precieze waarde afleiden van de zogenoemde constante van Avogadro, die staat voor het aantal atomen of moleculen per mol. Op deze waarde zou dan vervolgens de nieuwe definitie van het kilogram gebaseerd moeten worden.
In hun nog niet gepubliceerde artikel schrijven de onderzoekers waarom ze kozen voor silicium. “Omdat het een van de bekendste materialen is, en omdat er kristallen van te groeien zijn die heel puur, groot en bijna perfect zijn.” Daarbij was het van belang dat de bollen zo goed als volledig bestonden uit de siliciumisotoop die het meeste in de natuur voorkomt: silicium-28, oftewel: siliciumatomen met veertien protonen en veertien neutronen in hun kern.
Om dat te bereiken, werd het Central Design Bureau for Machine Building in St. Petersburg, Rusland ingeschakeld. Normaal gesproken verrijkt deze instelling uranium voor kerncentrales, maar in dit geval zorgde het ervoor dat het gebruikte silicium niet voor 92 procent, maar voor 99,99 procent uit silicium-28 bestond. Van dit silcium werden, via een reeks stappen waarbij allerlei andere instituten betrokken waren, uiteindelijk twee siliciumbollen gemaakt, die voor het onderzoek onder de loep werden genomen.
Helaas zijn we met dit resultaat nog niet bij een nieuw kilogram aanbeland. Sowieso komen de waardes die verschillende experimenten hebben gevonden voor de constante van Avogadro niet helemaal met elkaar overeen. Daarnaast is de (op zich heel kleine) onzekerheid in de nieuwe waarde van de constante anderhalf keer te groot om het huidige kilogram van zijn troon te kunnen stoten. “Maar,” zo schrijven de onderzoekers aan het eind van hun artikel, “gezien de capaciteiten die we al hebben ontwikkeld en de te verwachten verbeteringen, lijkt het aannemelijk dat de benodigde onzekerheid in de nabije toekomst kan worden gehaald.” En dan kan die Franse homp metaal misschien eindelijk met pensioen.
Bronnen: ArXiv.org, Nature News
Beeld: PTB