211service.com
Kol, Avogadros konstant och vikten av nummer 12
Det internationella enhetssystemet (med förkortningen SI-enheter) är en av grunderna för modern vetenskap. Den består av sju basenheter från vilka alla andra kan härledas.
Dessa är mätaren för längd; kilogram för massa; den andra för tid; amperen för elektrisk ström; Kelvin för termodynamisk temperatur; candela för ljusstyrka och mol för mängden ämne. Detta är ett samordnat system av enheter som gör att vetenskapliga resultat relativt enkelt kan jämföras, oavsett var de är gjorda.
SI-systemet är dock långt ifrån perfekt. Ett av problemen är att vissa av enheterna har värden baserade på godtyckliga objekt, som kilogram. Det råder allmän enighet om att detta bör ändras så att enheterna baseras på naturens fundamentala konstanter och på specifika tal som är definierade och därför konstanta.
Ett av dessa siffror är Avogadros konstant. Detta definieras för närvarande som antalet atomer i 12 gram kol-12 och är känt för att vara cirka 6,02214129 ×10^23. Men det exakta antalet beror på definitionen av ett kilogram, som för tillfället är massan av en godtycklig stång av platina-iridiumlegering gömd i ett kassaskåp någonstans i Paris.
Den allmänna konsensus är att det vore bättre att definiera Avogadros konstant och låta denna bestämma vikten av kilogram. Men vilket nummer ska tjäna?
Idag lägger Phil Fraundorf från University of Missouri-St Louis fram ett intressant förslag. Han säger att en praktisk lösning är att välja ett tal som är delbart med 12 så att ett helt antal kol-12-atomer är lika med massan av ett gram, åtminstone till en första approximation.
Samtidigt skulle det vara användbart att ha en fysiskt meningsfull definition baserad på en struktur som rimligen kan finnas i naturen. Olika forskare har föreslagit en kub av kisel i diamant ansiktscentrerade kubiska kristaller eller en kub av ansiktscentrerat kubiskt kol.
Problemet är att dessa strukturer är nästan omöjliga att tillverka och i alla fall inte innehåller ett antal atomer som är delbart med 12.
Så Fraundorf har kommit på en bättre idé baserad på grafen, enkla ark av kolkycklingtråd som för närvarande är i fokus för intensiv forskning. Hans idé är att definiera Avogadros konstant i termer av ett antal hexagonala ark av grafit staplade ovanpå varandra för att bilda ett hexagonalt prisma.
Han visar att om antalet lager är lika med antalet atomer längs ena sidan av hexagonbasen, så kommer en sådan struktur alltid att ha ett antal atomer som är delbart med 12, precis som krävs. Så det är helt enkelt en fråga om att välja ett tal som producerar ett prisma med antalet atomer nära det aktuella värdet av Avogadros konstant.
Han föreslår att om detta antal - antalet lager och antalet atomer längs varje hexagonal kant - var lika med 51 150 060, så skulle totalsumman vara 602 214 158 510 196 804 982 800 atomer. Det är så nära som fan lika med det nuvarande antalet.
Han säger att en kristall av kol som skapas på detta sätt skulle vara 1,71 centimeter lång med var och en av de sex sidorna som mäter 1,09 centimeter långa.
Det är en intressant idé, inte minst eftersom vår förmåga att manipulera grafen förbättras med stormsteg. Fraundorf föreställer sig en tid i en inte alltför avlägsen framtid då det kan vara möjligt att använda 3D-utskriftsteknik för att konstruera ett prisma med exakt Avogadros antal atomer.
Det skulle vara ett fascinerande föremål och något som skulle ge människor en konkret uppfattning om utrymmet som tas upp av en mol materia såväl som vikten av en mol kol. Vikten av en mol andra atomer kommer att vara proportionellt tyngre eller lättare beroende på förhållandet mellan atomvikter, säger han.
Och istället för att det bara finns ett kilogram i ett valv i Paris (och några få kopior på andra ställen), kan vem som helst skriva ut sitt eget kilo var som helst på planeten (i princip åtminstone).
Självklart pågår debatten, med andra förslag under behandling. Men Fraundorfs idé verkar ytterst förnuftig och verkligen värd en mer detaljerad studie.
Ref: arxiv.org/abs/1201.5537 : En multipel av 12 för Avogadro