Les physiciens comptent le nombre d'atomes dans 1 kg de silicium

Combien y a-t-il d'atomes dans un kilogramme de silicium ? Ce nombre est la constante d'Avogadro et déterminer sa valeur est l'une des tâches les plus importantes auxquelles les scientifiques des matériaux sont confrontés.

Aujourd'hui, un groupe de physiciens révèle la réponse. Ils disent qu'il y a 6.02214084(18) × 10^23 atomes dans un monocristal de silicium pesant environ un kilogramme. Et ils disent qu'ils savent que c'est juste parce qu'ils les ont comptés. Oui, je les ai comptés.

En fait, ils ont compté le nombre d'atomes dans une unité de volume de silicium et mesuré la taille de ce volume. Le nombre de fois où cela rentre dans une masse d'exactement 1 mole de sphère monocristalline presque parfaite de silicium est le nombre d'Avogadro.

Avoir établi ce nombre avec une telle précision est clairement un travail important, mais à quel point l'impressionnant est mis en perspective par les efforts monumentaux du consortium international qui l'a soutenu.

Le travail a commencé en 2004 lorsqu'un groupe russe a créé un échantillon de fluorure de silicium avec un contenu isotopique spécifique au Bureau central de conception de la construction de machines à Saint-Pétersbourg. Une équipe de l'Institut de chimie des substances de haute pureté de l'Académie des sciences de Russie à Nijni-Novgorod l'a ensuite transformé en un polycristal d'hydrure de silicium qu'un groupe du Leibniz-Institut fur Kristallzuchtung à Berlin a utilisé pour faire pousser un morceau de 5 kg de silicium monocristallin pur en 2007.

Le Centre australien d'optique de précision a ensuite prélevé des échantillons de cette masse et les a façonnés en sphères quasi parfaites. Ils ont ensuite fabriqué un interféromètre à rayons X à partir du reste du silicium pour déterminer sa structure cristalline. Ils ont également mesuré les surfaces des cristaux pour voir quel type de saleté s'y était accumulé et devrait donc être pris en compte dans les calculs finaux. (Divers oxydes de cuivre, de nickel et de silicium s'étaient accumulés à la surface.)

Différents groupes ont ensuite mesuré la masse des sphères en les comparant aux kilogrammes test platine-iridium possédés par le PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) en Allemagne, le National Metrology Institute of Japan à Tskuba et le Bureau International des Poids et Mesures en France .

L'équipe a ensuite mesuré le volume des sphères par interférométrie optique. Et la teneur en isotopes a été mesurée par des équipes de l'Université de Varsovie, de l'Institut des ressources minérales de l'Académie chinoise des sciences et de l'Institut de physique des microstructures de l'Académie des sciences de Russie.

Enfin, le nombre d'atomes de l'échantillon a été confirmé par un doctorant à l'aide d'une loupe et d'une pince à épiler.

OK, j'ai inventé ça.

Le résultat se compare bien avec d'autres mesures de la constante d'Avogadro effectuées à l'aide d'une autre méthode.

Notre résultat conduit à des valeurs numériques plus cohérentes pour les constantes physiques fondamentales, selon ce groupe international.

C'est d'un intérêt plus qu'académique. L'espoir est de se débarrasser un jour des kilogrammes de platine-iridium qui ont pour habitude de perdre quelques atomes à chaque fois qu'une brise souffle autour d'eux, ou pire, de gagner quelques atomes à chaque fois que leur vieux vigile éternue.

A sa place sera une définition du kilogramme basée sur une valeur fixe exacte pour le nombre d'Avogadro. La valeur obtenue, 6,02214084(18) x 10^23 mol^-1, est la donnée d'entrée la plus précise pour une nouvelle définition du kilogramme, selon l'équipe.

Ce n'est pas assez bon pour remplacer le kilogramme existant. Mais avec quelques années de plus et l'aide de ce qui semble être la plupart des scientifiques des matériaux de la planète, nous devrions éventuellement y arriver.

Réf : arxiv.org/abs/1010.2317 : Une détermination précise de la constante d'Avogadro en comptant les atomes dans un cristal Si-28

Mise à jour : quelques commentateurs ont souligné qu'une mole de silicium pèse 28g et non un kilogramme et que je semble être complètement confus à propos de cette histoire. Ils ont bien sûr tout à fait raison. Moralité : ne jamais écrire un article de blog après minuit !

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