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Gli scienziati sono riusciti a contare il numero di atomi contenuti in un cristallo di silicio con una precisione mai raggiunta prima. Questo traguardo segna un decisivo passo avanti sulla strada verso la definizione del chilogrammo (kg) sulla base di costanti fisiche.

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Gli scienziati sono riusciti a contare il numero di atomi contenuti in un cristallo di silicio con una precisione mai raggiunta prima. Questo traguardo segna un decisivo passo avanti sulla strada verso la definizione del chilogrammo (kg) sulla base di costanti fisiche.

Il lavoro, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, è stata in parte finanziata dall'UE attraverso il progetto IMERA Plus ("Implementing metrology in the European research area - plus"). IMERA Plus, che ha ricevuto 21 milioni di euro nell'ambito della linea di budget "Coordinamento delle attività di ricerca" del Settimo programma quadro (7° PQ), riunisce istituti nazionali di ricerca metrologica provenienti da tutta l'Europa per affrontare questioni essenziali come la definizione del chilogrammo.

Oggi la maggior parte delle misure sono basate su costanti fisiche. Per esempio, l'Ufficio internazionale per i pesi e le misure (BIPM) definisce il metro come "la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo", laddove il secondo è "la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio 133".

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Solo una misura ha reso difficile la possibilità di farsi definire in questo modo: il chilogrammo, che è ancora definito dal BIPM come "pari alla massa del prototipo internazionale del chilogrammo", un blocco fatto di una lega di platino-iridio (Pt-Ir) depositato presso la sede del BIPM a Parigi, in Francia. Tuttavia, anche se conservato in condizioni accuratamente controllate, il peso del chilogrammo ufficiale non è costante. Gli scienziati stimano che sia cambiato di circa 50 microgrammi nell'ultimo secolo. Il loro obiettivo è pertanto quello di pervenire a una definizione chiara e stabile di chilogrammo.
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Dal 2003 il progetto internazionale Avogadro, coordinato dal Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germania, lavora per arrivare a una definizione di chilogrammo basata sulla costante di Avogadro. Nel caso di un elemento, la costante di Avogadro si riferisce al numero di atomi in una mole di materiale la cui massa in grammi è equivalente al peso atomico dell'elemento. Come tale, la costante di Avogadro "mette in relazione reciproca le proprietà atomiche e macroscopiche della materia", scrivono i ricercatori.

Nell'ambito di questo studio un'équipe internazionale di ricercatori ha cercato di misurare il numero di atomi in un unico cristallo di silicio da 1 kg. Stando ai ricercatori, è stato scelto il silicio perché può assumere la forma di cristalli estremamente puri, grandi e quasi perfetti. L'obiettivo ultimo del progetto Avogadro è misurare la costante di Avogadro in un cristallo come questo, con una incertezza di misurazione pari a solo 2 x 10 elevato alla -8. Questo lavoro ha beneficiato della competenza di istituti di metrologia di diverse parti del mondo.

I ricercatori hanno usato per la ricerca due sfere lucidate in Australia, quindi hanno valutato la perfezione dei cristalli e l'influenza dei difetti nei reticoli cristallini. L'Istituto italiano di metrologia (INRIM) ha usato l'interferometria a raggi X per determinare la costante di reticolo. I risultati ottenuti sono stati convalidati a fronte delle misurazioni di un cristallo naturale di silicio eseguite presso l'US National Institute of Standards and Technology (NIST).

Le masse delle due sfere di silicio sono state confrontate con la massa dei chilogrammi standard conservati presso il BPM, il PTB e l'Istituto nazionale di metrologia del Giappone (NMIJ). Lo strato superficiale in biossido di silicio delle sfere è stato sottoposto a una serie di test, tra cui la radiazione di raggi x e di sincrotrone. È stata inoltre misurata la contaminazione della superficie con siliciuri di rame e nichel ed è stata eseguita una valutazione della sua influenza sul volume e la massa delle sfere. Infine l'équipe del PTB ha usato un nuovo metodo della spettrometria di massa per determinare la massa molare delle sfere,
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riuscendo a contare il numero di atomi contenuti nei campioni con una incertezza di misurazione pari a solo 3 x 10 alla -8. "Il valore ottenuto è il dato di input più preciso per una nuova definizione del chilogrammo", scrivono i ricercatori.

In una sua dichiarazione il PTB afferma: "Il risultato è una pietra miliare sulla strada verso l'elaborazione di una nuova definizione del chilogrammo sulle basi di costanti fondamentali i cui valori sono fissi".

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I ricercatori sottolineano che la propria definizione non è ancora abbastanza precisa da poter rimpiazzare il prototipo del chilogrammo di Parigi. Perché ciò avvenga dovrebbero raggiungere un livello di incertezza pari a 2 x 10 alla -8, come richiesto dal Comitato consultivo per la massa (CCM) del BIPM. Tuttavia, sembra evidente che i giorni di quel blocco metallico di Parigi come standard del chilogrammo sono contati.

I ricercatori concludono: "La conciliazione delle diverse elaborazioni non è ancora così buona da consentire di mandare in pensione il prototipo del chilogrammo di Pt-Ir, ma viste le abilità già sviluppate e i miglioramenti previsti è realistico ritenere che il necessario livello di incertezza potrà essere raggiunto nel prossimo futuro".

Fonte: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB); Physical Review Letters

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Ultimo aggiornamento: 2011-02-11

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