17/9/11

Χιλιόγραμμο: Ο νέος ορισμός της μονάδας μάζας

...με βάση το κβαντικό φαινόμενο Hall
Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαπερνά μια μεταλλική επιφάνεια μέσα σε ένα κάθετο σε αυτήν μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς την άκρη της επιφάνειας δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού κάθετα προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο Hall. Ανακαλύφθηκε το 1879 από έναν αμερικανό φυσικό τον Ε.H. Hall. Το φαινόμενο αυτό έχει μελετηθεί σε βάθος και είναι πλήρως κατανοητό σε μέταλλα και ημιαγωγούς.
Στις πειραματικές μετρήσεις του φαινομένου Hall βρέθηκε ότι η αντίσταση Hall (RH) αυξάνεται γραμμικά σαν συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου Β
Μια εντελώς νέα φυσική μας αποκαλύπτεται όταν το φαινόμενο αυτό μελετάται σε δισδιάστατα συστήματα.
Το 1980 ο von Klitzing έδειξε ότι σε δισδιάστατα συστήματα η αγωγιμότητα Hall έχει διακριτές τιμές (Nobel 1985). Είναι ανάλογη της ποσότητας e2/h, όπου e το φορτίο του ηλεκτρονίου και h η σταθερά του Planck. Ο κβαντισμός της αγωγιμότητας Hall είναι απίστευτα ακριβής και αυτή η ακρίβεια οδήγησε στον επανακαθορισμό της μονάδας της ηλεκτρικής αντίστασης από την σταθερά RK=h/ e2 = 25,812.807557 (18) Ω (Το κβαντικό φαινόμενο Hall προσφέρει επίσης έναν ανεξάρτητο και εξαιρετικά ακριβή τρόπο καθορισμό της σταθεράς λεπτής υφής , μια ποσότητα με θεμελιώδη σημασία για την κβαντική ηλεκτροδυναμική).

Το κβαντικό φαινόμενο Hall μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στον επανακαθορισμό της μονάδας μάζας, του χιλιόγραμμου. Το πρότυπο χιλιόγραμμο κατασκευασμένο από πλατίνα και ιρίδιο φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Παρίσι. Όμως κατά τα τελευταία 60 χρόνια οι συγκρίσεις της μάζας αυτής με πανομοιότυπα αντίγραφα δείχνουν ότι μάζα του προτύπου μεταβάλλεται. Για τον λόγο αυτό οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν έναν καινούργιο τρόπο ορισμού του χιλιογράμμου χρησιμοποιώντας ακριβείς θεμελιώδεις σταθερές.
Μια δημοφιλής μέθοδος είναι η «ισορροπία watt», η σύγκριση του βάρους ενός σώματος με μια ηλεκτρομαγνητική δύναμη.
H “ισορροπία watt” είναι στην πραγματικότητα ένα όργανο μέτρησης που μετρά το βάρος ενός σώματος με πολύ μεγάλη ακρίβεια συναρτήσει της έντασης και τάσης του ηλεκτρικού ρεύματος. Το όνομα οφείλεται στο γεγονός ότι η μάζα τελικά υπολογίζεται από μια μαθηματική σχέση που περιέχει το γινόμενο VI, το οποίο εκφράζει την ηλεκτρική ισχύ που μετρείται σε watt.

Η πειραματική διάταξη "ισορροπίας watt" στο NIST (National Institute of Standards and Technology)
H μέθοδος βασίζεται στην υπόθεση ότι ο λόγος h/e2 είναι ανεξάρτητος από το υλικό που χρησιμοποιείται για την μέτρησή του. Οι επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει μετρήσεις με διαφορετικά υλικά - μεταξύ αυτών και γραφένιο - επιβεβαιώνοντας την παγκοσμιότητα του πηλίκου h/e2.  Η ισορροπία watt χρησιμοποιεί το πηλίκο  αυτό μαζί με την μέτρηση της κβαντικής αντίστασης Hall, για να ορίσει το χιλιόγραμμο συναρτήσει του h.
Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν στο σχεδιασμό και τη λειτουργία της ισορροπίας watt. Για παράδειγμα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη στην συσκευή της «ισορροπίας watt» πρέπει να ευθυγραμμίζεται πλήρως με την βαρύτητα. Και δεδομένου ότι απαιτούνται ελαχιστότατες αποκλίσεις, οι ευθυγραμμίσεις πραγματοποιούνται πολύ δύσκολα
Ο επαναπροσδιορισμός του προτύπου χιλιογράμμου είναι τώρα το ένα από τα κύρια θέματα στον τομέα της μετρολογίας. Την επόμενη εβδομάδα, οι «metrologists» θα συγκεντρωθούν στο Παρίσι για την 24η Γενική Διάσκεψη Μέτρων και Σταθμών για να συζητήσουν την ουσία της ισορροπίας watt και άλλες προτάσεις για τον επαναπροσδιορισμό του χιλιογράμμου.
Δείτε ένα σχετικό βίντεο
 
physicsworld.com - en.wikipedia.org - ikaros.teipir.gr

Διαβάστε επίσης:
1. Γιατί συμφέρει να μετράμε την μάζα σε μέτρα και όχι σε χιλιόγραμμα
2. Πότε ένα χιλιόγραμμο παύει να είναι ένα χιλιόγραμμο;
3. Οι Μονάδες ενώνουν τον κόσμο

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...