Ο άνθρακας, η σταθερά Avogadro και ο αριθμός 12

Posted on 03/05/2014

0


Ένα πολλαπλάσιο του 12 για τον αριθμό Avogadro

AvogadroΥπάρχουν επιστήμονες που θεωρούν απαραίτητο τον επανα-ορισμό της σταθεράς Avogadro, προκαλώντας μια τεράστια συζήτηση σχετικά με το ποιόν αριθμό να επιλέξουν για την τιμή της. Τώρα ένας φυσικός πιστεύει πως έχει την απάντηση.

Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) αποτελεί ένα από τα θεμέλια της σύγχρονης επιστήμης. Περιλαμβάνει επτά θεμελιώδεις μονάδες από τις οποίες παράγονται όλες οι υπόλοιπες.siΌμως, το Διεθνές Σύστημα Μονάδων απέχει πολύ από την «τελειότητα». Ένα από τα προβλήματά του είναι ότι κάποιες από τις θεμελιώδεις μονάδες βασίζονται σε αυθαίρετα αντικείμενα, όπως η μονάδα μέτρησης της μάζας το χιλιόγραμμο (kg). Οι επιστήμονες συμφωνούν ότι αυτό πρέπει να αλλάξει, έτσι ώστε όλες οι μονάδες να βασίζονται σε θεμελιώδεις σταθερές της φύσης και στους συγκεκριμένους αριθμούς που έχουν οριστεί γιαυτές τις σταθερές.

Ένας τέτοιος αριθμός είναι η σταθερά Avogadro. Ορίζεται ως ο αριθμός των ατόμων που περιέχονται σε 12 γραμμάρια 12 C και είναι περίπου ίσος με 6,02214129•1023.
Αλλά η ακριβής τιμή εξαρτάται από τον ορισμό του ενός χιλιογράμμου, το οποίο προς το παρόν ορίζεται ως η μάζα ενός κυλίνδρου από κράμα λευκόχρυσου-ιριδίου που φυλάσσεται σε ασφαλές μέρος στο Παρίσι.

Οι επιστήμονες συμφωνούν στο ότι θα ήταν καλύτερα να ορίσουν εκ νέου την σταθερά Avogadro και στην συνέχεια χρησιμοποιώντας το νούμερο αυτό να ορίσουν το χιλιόγραμμο.

Αλλά ποιος αριθμός πρέπει να χρησιμοποιηθεί για την τιμή της σταθεράς Avogadro;

Ο Phil Fraundorf από το πανεπιστήμιο του Missouri-St Louis πρότεινε μια ενδιαφέρουσα πρόταση [A multiple of 12 for Avogadro]. Ισχυρίζεται ότι μια πρακτική λύση είναι η επιλογή ενός αριθμού που θα διαιρείται με το 12, έτσι ώστε ένας ακέραιος αριθμός από άτομα 12 C να είναι ίσος με την μάζα ενός γραμμαρίου, τουλάχιστον σε μια πρώτη προσέγγιση.
Ταυτόχρονα θα ήταν χρήσιμο να έχουμε έναν ορισμό με φυσική σημασία βασισμένο σε μια δομή που να υπάρχει στη φύση.

Ο Fraundorf προτείνει μια ιδέα που βασίζεται στο γραφένιο, μεμονωμένα φύλλα άνθρακα που σχηματίζουν εξαγωνικές δομές, που σήμερα βρίσκεται στο επίκεντρο της έρευνας. Η ιδέα του ήταν να ορίσει την σταθερά Avogadro συναρτήσει του αριθμού των εξαγωνικών φύλλων γραφίτη το ένα πάνω στο άλλο, έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα εξαγωνικό πρίσμα.

Έδειξε ότι αν ο αριθμός των στρωμάτων είναι ίσος με τον αριθμό των ατόμων κατά μήκος της μιας πλευράς της βάσης του εξαγώνου, τότε μια τέτοια δομή θα έχει πάντα έναν αριθμό ατόμων που θα είναι διαιρετός με το 12, ακριβώς όπως απαιτείται. Έτσι, είναι απλά ζήτημα επιλογής, ένας αριθμός ο οποίος θα παράγει ένα πρίσμα με τον αριθμό των ατόμων κοντά στην σημερινή τιμή της σταθεράς Avogadro

Εξάγωνα γραφενίου αυξανόμενου μεγέθους

Εξάγωνα γραφενίου αυξανόμενου μεγέθους

Ο Fraundorf απέδειξε ότι αν αυτός ο αριθμός – ο αριθμός των στρωμάτων και ο αριθμός των ατόμων κατά μήκος κάθε εξαγωνικής ακμής – είναι ίσος με 51.150.060, τότε ο συνολικός αριθμός θα είναι 602.214.158.510.196.804.982.800 άτομα. Πρόκειται για έναν αριθμό που είναι σχεδόν ίσος με την τρέχουσα τιμή της σταθεράς Avogadro. Μια τέτοια κρυσταλλική διάταξη άνθρακα θα έχει ύψος 1,71 εκατοστά και κάθε μια από τις έξι πλευρές θα έχει μήκος 1,09 εκατοστά.

Ο Fraundorf φαντάζεται ότι, στο όχι και πολύ μακρινό μέλλον, θα μπορούμε να χρησιμοποιούμε την τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης για να κατασκευάζουμε τέτοια πρίσματα με τον ακριβή αριθμό ατόμων άνθρακα. Αυτό θα είναι ένα συναρπαστικό αντικείμενο και κάτι που θα δίνει στους ανθρώπους μια απτή ιδέα του χώρου που καταλαμβάνει ένα mole ύλης καθώς και η μάζα ενός mole άνθρακα. Η μάζα ενός mole άλλων ατόμων θα είναι αναλογικά μεγαλύτερη ή μικρότερη, σύμφωνα με τον λόγο της ατομικής μάζας τους προς την αντίστοιχη του άνθρακα.hexag_3dΈτσι, αντί να έχουμε φυλαγμένο στο Παρίσι το πρότυπο του ενός χιλιογράμμου (και μερικά ακόμα αντίγραφα αλλού), ο οποιοσδήποτε θα μπορεί να εκτυπώσει το δικό του χιλιόγραμμο, οπουδήποτε στον πλανήτη μας, και όχι μόνο …
Εννοείται ότι η συζήτηση σχετικά με το θέμα αυτό βρίσκεται σε εξέλιξη, καθώς επίσης εξετάζονται κι άλλες προτάσεις. Όμως η ιδέα του Fraundorf είναι εξαιρετικά απλή και σίγουρα αξίζει περαιτέρω μελέτη.

Πηγή: www.technologyreview.com

Posted in: ΦΥΣΙΚΗ