Herdefinitie kilogram dichterbij dankzij preciezere schatting Avogadro’s constante

Avogadro’s constante is ongeveer 6,022×10²³, een bijna onvoorstelbaar grote hoeveelheid. Dit getal is groter dan het aantal zandkorrels op aarde, of zelfs het aantal sterren in het universum. Het staat voor de verhouding tussen de deeltjes van de atomaire en moleculaire wereld en de elementen van de door de mens waarneembare, macroscopische, wereld. De constante is gedefinieerd als het aantal deeltjes per mol, met als eenheid mol^-1.

Het getal kan gebruikt worden om hele kleine deeltjes te bekijken in hoeveelheden van betekenis. Eén mol watermoleculen bijvoorbeeld is slechts een paar theelepels vloeistof. Omdat Avogadro’s constante is gekoppeld aan een aantal andere fysieke constanten, kan de waarde helpen bij het definiëren van andere aanheden, zoals de kilogram.

Avogrado’s constante bepalen

De onderzoekers hebben de constante in het verleden meerdere malen berekend. Hierbij verkregen ze de waarde van Avogrado’s constante door het aantal atomen te tellen in één kilogrambol van heel puur ²⁸Si. Als Silicium kristalliseert vormt het kubusvormige cellen van elk acht atomen.

Zo is het mogelijk om het aantal atomen in zo’n bol te bepalen door de ratio te onderzoeken tussen het totale volume aan kristallen en de volume die ingenomen wordt door elk Silicium-atoom. Dit volume kan weer worden berekend door de kubusvormige cel op te meten.

Zeer precieze meting

Eerder dit jaar verkregen de onderzoekers met bovengenoemde methode een nieuwe waarde voor Avogrado’s constante met een foutmarge van minder dan 20 atomen per miljard. In 2011 lag de foutmarge nog op 30 atomen per miljard.

Maar omdat beide getallen een bepaalde mate van onzekerheid kennen is het preciezer om ze samen te nemen en een gemiddelde te berekenen. Het resultaat: 6,02214082(11)x10²³. Het getal tussen haakjes vertegenwoordigt de onzekerheid van het laatste getal in het resultaat.

Een nieuwe kilogram

De standaard voor de kilogram is momenteel een cilindertje van platina en iridium dat wordt bewaard in Frankrijk in de gemeente Sèvres, vlakbij Parijs. Tegenwoordig is één zo’n standaard niet meer praktisch. Ook is zo’n standaard onderhevig aan subtiele veranderingen in massa door oppervlaktereacties. Daarom zijn internationale metrologen overeengekomen om de kilogram in 2018 officieel te herdefiniëren op basis van de constante van Planck (h).

Het herdefiniëren van één van de SI-eenheden is echter niet zo gemakkelijk als het bijwerken van bijvoorbeeld een woordenboek. Giovanni Mana, één van de onderzoekers: “Voor we de kilogram kunnen herdefiniëren, moeten we aantonen dat de nieuwe standaard niet te onderscheiden is van de huidige.” Hier komt Avogrado’s constante om de hoek kijken.

Om de kilogram zo accuraat mogelijk te kunnen definiëren moet de vaste waarde van de constante van Planck zo goed mogelijk worden bepaald. Omdat Planck’s constante kan worden afgeleid van Avogadro’s constante (en vice versa), zorgt een preciezere definitie van Avogadro’s constante dus ook voor een preciezere definitie van Planck’s constante.

Het artikel ‘Correlation of the NA measuremenets by counting ²⁸Si atoms’ is geschreven door G. Mana, E. Massa, C.P. Sasso, M. Stock, K. Fujii, N. Kuramoto, S. Mizushima, T. Narukawa, M. Borys, I. Busch, A. Nicolaus en A. Pramann. Het is ook gepubliceerd in de ‘Journal of Physical and Chemical Reference Data’ op 14 juli 2015.