Meghízott a kilogramm

2013.01.07. 12:51

Bár csak kevesebb mint 100 mikrogrammal, de mégis megnőtt a kilogramm Franciaországban őrzött etalonjának tömege. A probléma lényege: ez az egyetlen alapvető mértékegység, amelyet még mindig egyetlen konkrét tárgyhoz viszonyítunk. Mi lesz velünk, ha pontatlanná válik a kilónk?

Ha nagyon szigorúan vesszük, jelenleg nem tudhatjuk egészen pontosan, mennyit híztunk a karácsonyi-szilveszteri lakomák miatt. Ugyanis maga a kilogramm is meghízott az utóbbi időben - mutatták ki egy igen fejlett vizsgálattal a Newcastle-i Egyetem munkatársai Nagy-Britanniában.

Az eredeti kilogramm most több tíz mikrogrammal nehezebb annál, mint amilyennek először, 1875-ben nemzetközi standardnak elfogadták. A brit kutatók vizsgálati módszerével (röntgenfotoelektron-spektroszkópia, XPS) azokat az elektronokat lehet rendkívüli pontossággal elemezni, amelyek a sugár hatására lépnek ki a céltárgyból, így kiválóan alkalmas a felületi tisztaság ellenőrzésére, vagy annak megállapítására, hogy miből áll egy szilárd test felületi rétege.

A kilogramm hízása azért súlyos gond, mert a kiló egyike annak a hét, nemzetközi standardként elfogadott, alapvető mértékegységnek (SI), amelyből az összes többi levezethető. Míg például a métert vagy a kelvint fizikai állandókhoz kötötték, a kilogramm az egyetlen, amelyet egy konkrét tárgyhoz képest határozunk meg mintegy másfél évszázada. Az etalon eredetijét a franciaországi Sevres-ben őrzi a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal.

Leheletfinom lerakódás

A platina-irídium henger minden erőfeszítés ellenére elszennyeződött, ezért megváltozott a tömege. Mivel a sevres-i etalonhoz nem lehet hozzányúlni, Peter Cumpson és Naoko Sano egy hasonló összetételű tárgyon vizsgálta a gyarapodásért felelős szénhidrogén-szennyeződéseket. A newcastle-i kutatók így arra is választ adnak, hogyan lehet a kilogrammot szelíd fogyókúrának alávetni.

Forrás: Wikipedia Commons
Számítógépes szimuláció a kilogramm Franciaországban őrzött eredetijéről

"Nagyon kicsi gyarapodásról, kevesebb mint 100 mikrogrammról van szó. Ha mindannyian kilogrammban számolunk, és a mértékrendszer standard egysége megmarad, az etalon konkrét súlya nem igazán fontos. De mégis, a tömeg alapvető mértékegység, így az apró változásoknak is óriási jelentőségük van. Az értékes fémek kereskedelmében például minden mikrogramm számít" - mondta Peter Cumpson.

Az eredeti etalonról 1884-ben negyven másolat készült, világszerte ezekhez képest határozzuk meg a tömeget. "A fő probléma, hogy a másolatok mindegyike különböző mértékben szennyeződik el, így az apró változások eltérő ütemben következnek be" - magyarázta Cumpson. Vagyis jelenleg az a helyzet, hogy jogszabályilag a sevres-i kiló a kiló, de előfordulhat, hogy egy kevésbé szennyezett másolat közelebb áll az 1875-ös állapothoz.

Forrás: Wikimedia Commons
A tömegetalon tükröződik egy nagy tisztaságú szilíciumgömbben. A gömb kísérlet arra, hogy a kg-ot adott számú szilíciumatom összességeként határozzák meg

Óvatos tisztítás

A vizsgálatok szerint egy kis "lesülés" segíthet abban, hogy az etalonhoz hasonló platina-irídium tárgyak visszanyerjék eredeti tömegüket. A newcastle-i kutatók ultraibolya besugárzással és ózonfürdővel távolították el a szennyeződést. Az XPS-berendezés előnye, hogy atomi szinten lehet vele elemezni a felület rétegeit, továbbá argonionágyújával úgy vizsgálhatók a szerves eredetű lerakódások, hogy a fémfelület, vagyis a platinaötvözet egyáltalán nem sérül. A kutatócsoport eredményeit a Metrologia szakfolyóirat közölte.

A szabványügyekkel foglalkozó Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Bizottságban (CIMP) egyébként évek óta tudják, hogy a kilogramm nem teljesen felel meg az etalonokra vésett francia jelmondatnak: "A tous les temps, a tous les peuples" (Minden időkre - minden népnek). A testület 2005-ben azt ajánlotta, hogy valamilyen alapvető fizikai állandóból vezessék le a tömeg mértékegységét.

Ennek nyomán az Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia (CGPM) elviekben egyetértett azzal, hogy a tömeget a Planck-állandóhoz kössük. A végső döntést viszont egyelőre elhalasztották. A Max Planck fizikusról elnevezett állandó alapvető fontosságú a kvantummechanikában - a megoldás nehézségeiről itt olvashat bővebben. Minden korábbinál pontosabban még 1999-ben mérték meg az Egyesült Államok szabványügyi intézetében, a National Institute of Standards and Technologyban (NIST), szupravezető mágneseket felhasználva.

A nemzetközi mértékügyi konferencia következő ülését 2014-ben tartja, addig kell várni tehát a jó öreg etalon leváltására. Jelenleg ugyanis ha valamilyen katasztrófa érné a sevres-i eredetit, hirtelen nem lenne mihez viszonyítani a súlyokat. Bár az is tény, hogy a mindennapi életben ez nem okozna fennakadást: aki túl sokat evett az ünnepek alatt, annak valószínűleg szemmértékre is nagyobb a súlya, mint december elején.

Miért nem a grammot használjuk etalonként?

A magyarázat a tömeg mértékegységének kétszáz éves történetében rejlik. Akárcsak a hosszúságra, a tömegre (hétköznapi értelemben a súlyra) is annyi mértékegység létezett, ahány kultúra. Gondoljunk például az 1271-ben elfogadott budai márkára, amely 245,54 grammnak felelt meg 1690-ig, majd 248,87 gramm volt 1727-ig. Ennek a mindenkori kétszerese volt az úgynevezett kereskedelmi font, amelyet a 14. században tett egységesen kötelezővé Luxemburgi Zsigmond magyar és német király, német-római császár.

Hogy rendet vágjon a mértékek káoszában, a francia nemzetgyűlés 1790-ben azzal bízta meg az ország tudósait, hogy határozzanak meg új, decimális (a tízes számrendszeren alapuló) rendszert. A tömeg mértékegysége a grave lett, amely 1 köbdeciméter, fagyponton levő víz tömegével egyezett meg, nagyjából megfelelve a későbbi kilogrammnak.

Ahogy kiteljesedett a francia forradalom, a grave-ot elvetették, mert túl nagynak tartották hétköznapi használatra. A helyébe 1795. április 7-től a gramm lépett, melynek tömegét szintén a köbméterben mért, fagyponton levő vízéhez viszonyították. (A vizes meghatározás John Wilkins angol filozófus javaslata volt, aki 1668-ban vetette fel a súly és a hosszúság összekapcsolását.) Mivel végül nehéznek bizonyult grammetalonokat készíteni, a kilogrammetalonok terjedtek el inkább. A platinakilók prototípusát 1799-ben helyezték letétbe a Francia Köztársaság központi levéltárában.