إعادة تعريف الكيلوجرام باستخدام تقدير أكثر دقة لعدد افوجادرو

يسعى فريق من العلماء من إيطاليا واليابان وألمانيا في بحث علمي مشترك لإعادة تعريف الكيلوجرام بحلول العام 2018 وذلك من خلال الحصول على قياسات دقيقة لعدد افوجادرو. نشرت أبحاث الفريق العلمي في مجلة القياسات الفيزيائية والكيميائية Journal of Physical and Chemical Reference Data.

يقدر عدد أفوجادرو بـ 6.022×10^23 تقريبا وهو يمثل كمية كبيرة أكبر بكثير من عدد حبيبات الرمل على الأرض او حتى أكبر من عدد النجوم في الكون. لكن هذا العدد يمثل عدد الجسيمات (الذرات أو الجزيئات) في مول من المادة. مول واحد من جزيئات الماء يعادل بضعة ملاعق من السائل. حيث ان عدد افوجادرو يرتبط مع عدد من الثوابت الفيزيائية فان قيمته يمكن ان تستخدم للتعبير عن وحدات فيزيائية أخرى مثل الكيلوجرام.

قام فريق البحث بحساب عدد افوجادرو عدة مرات في الماضي. في كل مرة حصلوا على قيمة لعدد افوجادرو من خلال عدد الذرات في كرة كتلتها كيلوجرام واحد من السيلكون النقي جدا. عندما يتبلور السلكيون فانه يكون خلايا مكعبة تتكون من ثمانية ذرات في كل خلية. لهذا فانه من الممكن حساب عدد الذرات في كرة السليكون من خلال النسبة بين الحجم الكلي للبلورة والحجم الذي تشغله كل ذرة سليكون، والتي بدورها تحسب بواسطة الخلية المكعبة.

في مطلع العام 2015 حصل العلماء على قيمة جديدة لعدد افوجادرو بنسبة شك اقل من 20 ذرة لكل مليار ونتج عن ذلك قيمة جديدة لعدد افوجادرو تقدر بـ 6.02214082(11)x10^23 حيث ان العدد بين القوسين يمثل الشك في اخر خانتين.

من عدد افوجادرو إلى الكيلوجرام

حاليا يعرف الكيلوجرام القياسي بواسطة قطعة اسطوانية الحجم من معدني البلاتين والاريديوم محفوظة في الوكالة العالمية للأوزان والقياسات في فرنسا. لكن مع مرور الوقت يحدث نقصان طفيف في هذه الكتلة القياسية نتيجة لتفاعلات السطحية مما يجعل من الصعب في يومنا هذا ان نعتمد عليها كمقياس عياري لكل الاوزان في العالم.

لهذا السبب يعمل المجتمع الدولي للقياسات على إعادة تعريف الكيلوجرام بدلالة ثابت فيزيائي بدلا من الاعتماد على جسم فيزيائي يحدث له تغير مع الزمن. بعد عدد من السنوات من النقاشات والأبحاث سوف يعاد رسميا تعريف الكيلوجرام بدلالة ثابت بلانك في العام 2018.

على أي حال يعتبر إعادة تعريف أحد الوحدات الفيزيائية الأساسية أكثر صعوبة من تحديث معجم لغوي. يقول جوفينا مانا (Giovanni Mana) أحد الباحثين اننا يجب ان التعريف الجديد يجب ان لا يبتعد عن بمقدار دقة أفضل الموازين في العالم، والا فانه عندما نغير التعريف الحالي للكيلوجرام إلى التعريف الجديد فان كل المستخدمين في مجال العلوم والصناعة والتجارة يجب ان يغيروا قيمة الكتلة لكل الاجسام الموجودة حاليا، وان مثل هذا التعديل يسوف يتطلب الكثير من الوقت وقد يتسبب في حدوث الكثير من الأخطاء.

لهذا يأتي دور عدد افوجادرو. قبل الشروع في اصدار التعريف الجديد للكيلوجرام بالاعتماد على ثابت بلانك يجب التأكد فان قيمة ثابت بلانك مناسبة جدا بقدر الإمكان. حيث انه يمكن اشتقاق ثابت بلانك من عدد افوجادرو والعكس بالعكس فان استخدام ثوابت أساسية أخرى يمكن ان يؤدي إلى تعريف أكثر دقة لعدد افوجادرو وهذا بدوره يعزز تعريف ثابت بلانك.

بالرغم من كل هذا فان عدد افوجادرو لا يعتبر طريقة رسمية لتعريف الكتلة القياسية، ويعتبر عد الذرات فحص هام لدقة أي تعريف يعتمد على ثابت بلانك.

في النهاية يجب ان تكون قياسات أكثر من كيلوجرام باستخدام طرق مختلفة متقاربة جدا من بعضها البعض، كما يجب ان يحقق إعادة تعريف الكيلوجرام قياسات دقيقة وأدق من تلك المتوفرة في أكبر عدد من المختبرات. كما يجب في علم القياس ان نضمن الاستقلالية حتى لا بتفرد أي مختبر او دولة في تقدير مقدار أي وحدة. يقول العالم مانا ان غياب التقنيات اللازمة لإعادة تعريف الكيلوجرام تعتبر من أكبر العوائق التي تواجه كل نظام وحدات القياس والتي بالتغلب عليها سوف تفتح افاق كبيرة في العلوم والتكنولوجيا.

المصدر: من هنا