26.01.2019

Планка Авогадро

Привычный нам эталон килограмма безнадёжно устарел. Чем заменят знаменитый слиток из иридия и платины? И как разработать новый стандарт? Эталонное качество поддерживается благодаря российским атомным технологиям. Познание мира – то, к чему человечество стремилось всегда. Но получение объективной информации о Вселенной невозможно, если инструменты её изучения неточны. Сфера измерения – вот отправная точка в познании мира. С каждым годом она становится всё точнее и уже сама начинает менять нашу жизнь.

В ноябре 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам в Версале приняла резолюцию, которая радикально изменила понимание Международной системы единиц. Килограмму – то есть массе, силе тока, количеству вещества и термодинамической температуре даны новые определения через фундаментальные физические константы. Старые определения были применимы лишь в пределах нашей планеты. Новые будут одинаково действовать в любой точке космоса.

Мартин Милтон, директор Международного бюро мер и весов, поясняет: «Это историческое собрание для нас, речь идёт об окончательном отказе от связи системы единиц с артефактами. Фактически принимается новая система единиц, которая будет использоваться почти во всех странах мира».

Продолжает Клаус фон Клитцинг, лауреат Нобелевской премии по физике 1985 года: «Есть семь основных единиц измерения в химии, биологии, астрофизике. Всё может быть измерено этими единицами. Мы знаем, что базовые константы во всём мире одинаковы. Поэтому прекрасная идея – взять эти константы в качестве основы всех измерений».

Это был самый масштабный пересмотр международной системы единиц за всё время её существования. Что-то подобное было лишь однажды – в 1960 году. Тогда были даны новые определения метру и секунде. Результаты тех изменений сейчас каждый может почувствовать на себе, включая навигатор в машине, вызывая такси или заказывая обед с доставкой на дом.

Руководитель Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Алексей Абрамов рассказывает, что для точности работы навигационных систем очень важно, насколько точно у нас работают те часы, которые есть на Земле, те часы, которые находятся на спутниках, которые передают, соответственно, сигнал и синхронизируются. «И чем точнее мы измеряем время и расстояние, тем лучше мы понимаем и позиционируем какой-то объект на карте», – заключает чиновник. А вот мнение главного метролога Росатома Николая Обысова: «Те константы, которые сегодня используются в обосновании основных единиц СИ, не связаны с деятельностью человека, не связаны с объектом, на котором мы с вами проживаем, то есть с Землёй, а основаны на фундаментальных физических явлениях природы и на фундаментальных константах, которые существуют вне зависимости от того, Земля ли это, Марс ли это, либо самая удалённая Галактика во Вселенной».

Тем временем в России
Российские учёные новое определение килограмма уже выучили, но пока верны традициям. В НИИ им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге с 1892 года бережно хранят две точные копии международного эталона килограмма под номерами 12 и 26.

Виктор Снегов, учёный хранитель Государственного первичного эталона единицы массы ВГУП НИИ им. Д.И. Менделеева, показывает нам сейф, в котором эталоны хранятся. «Этот сейф очень старинный и сделан нашими предшественниками. Тогда не экономили на материале, и массивные двери обеспечивают сохранность как драгметалла, так и национального достояния. Прошло три революции, две войны, перестройка, а всё это сохранилось благодаря такому отношению к сохранению наших артефактов».

Цилиндров-эталонов во всём мире 70. В конце XIX века их получили представители 17 стран. Виктор Снегов уже 10 лет является хранителем национального эталона килограмма и знает, что все решения, принятые в Версале на 26-й Генеральной конференции, должны вступить в силу в мае 2019 года. Но драгоценные слитки из иридия и платины, на которые уже почти 30 лет равняются все метрологи, на пенсию пока не собираются. Переходный период от артефакта к формуле, по крайней мере, для килограмма, займёт пару десятилетий. По словам Снегова, «наш старенький килограмм проявил очень высокую стабильность. За 20 лет он немножко поправился только на 1 микрограмм. Это в пределах погрешности в 3 микрограмма. Условно на 1 микрограмм он возрос. То есть, получается, у нас есть ещё лет 15, когда мы можем им пользоваться».

Тем временем во Франции
Самый знаменитый эталон Международной системы единиц хранится во французском городе Севр. Отлили первый эталон килограмма ещё в 1889 году. И с тех пор достают не чаще раза в год для переосвидетельствования. Во время одной из таких проверок в начале 90-х годов XX века оказалось, что главный международный килограмм «похудел» на целых 50 микрограммов. Для метрологов всего мира эта новость была просто невероятной. Ведь именно сюда, во Францию, в Международное бюро мер и весов привозят для сравнения калибровки все существующие на планете эталоны масс. Установить истинную причину такого серьёзного уменьшения веса не удалось до сих пор, но оно заставило учёных задуматься о новом эталоне килограмма.

Экс-директор института массы Международного бюро по мерам и весам Ричард Девис после этого случая считает, что «это неправильно для 21-го столетия иметь такую устаревшую концепцию. Новое время требует высокой точности. Мы долго, почти 20 лет, пытались найти что-то получше, но нам нужна была новая технология, которая раньше не существовала. И вот наконец учёным всего мира удалось сообща найти ответ».

Если быть точными, то ответов удалось найти сразу два. Учёные разработали две формулы, где такое важное понятие, как килограмм, выведено через физические константы. В одном случае – через постоянную Планка, в другом – через число Авогадро. Но формулы ещё надо было проверить экспериментально, а для этого необходимо уникальное оборудование.

Спросил у нас как-то Виктор Снегов: «Что такое число Авогадро?» Мы, естественно, вопросительно молчим, а он сам и ответил: «Это количество атомов или молекул, неких структурных единиц в грамм-молекуле. Физики, которые занимаются атомной физикой, они килограммом вообще не пользуются. У них своя шкала атомных единиц массы. Только когда нужно перейти от микромира к макро-, то тогда нужно число Авогадро. Это некие ворота из микромира в макромир». Так вот ключ к этим воротам – превращённый в монокристалл изотоп кремния, из которого выточили практически идеальную сферу.

Тем временем в Германии
Как рассуждает глава отдела интерферометрии сфер РТВ Арнольд Николас: «Если бы вы решили подсчитать число атомов в кремниевой сфере со скоростью, например, 10 млн атомов в секунду, вы бы считали несколько сотен миллионов лет. Так что мы используем этот простой трюк: мы измеряем объём большой сферы и объём маленький – объём атома кремния. И путём деления мы определяем массу атома – в килограмме кремния примерно 21 септиллион атомов».

Структура сферы в данном случае – ключевое понятие. Сама форма очень удобна для проведения всех необходимых измерений, а кристаллическая решётка изотопа кремния – главное преимущество этих сфер. Атомы здесь расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Такая молекулярная структура, в частности, позволяет учёным с беспрецедентной точностью вычислить и молярную массу кремния, и число Авогадро.

Как поясняет Ричард Девис, «необходимо подчеркнуть, что вы не смогли бы сделать достаточно точные измерения с помощью сферы, используя просто природный кремний. Необходим обогащённый экземпляр, совершенно однородный – это изотоп. Единственным источником обогащённого кремния является Россия. И поэтому Россия играет в этом проекте ключевую роль».

Тем временем в России
Эталонное качество достигается благодаря российским атомным технологиям. Обогащали кремний для международного проекта «Килограмм» в Красноярском крае на центрифугах, которые находятся на Электрохимическом заводе в Зеленогорске. Только на этом оборудовании можно было получить столь необходимый учёным кремний-28.

Медицина, атомная энергетика, электроника – изотопы нужны везде, спрос на них с каждым годом растёт. Основная часть продукции электрохимического завода – более 95 % – идёт на экспорт в десятки стран мира. И главные потребители – учёные. Только за последние 30 лет атомщики из Зеленогорска поучаствовали как минимум в 10 глобальных международных научных проектах.

Как рассказал нам руководитель проекта по развитию изотопного производства АО «ПО ЭХЗ» Сергей Зырянов, «Основное направление научных исследований и применения наших изотопов – это изучение свойств изотопов и их возможности применения в полупроводниковой промышленности и для исследования свойств безнейтринного двойного бета-распада. Предприятие сейчас обладает технологиями получения 107 изотопов двадцати одного химического элемента. Объёмы производств составляют несколько сотен килограммов в год». 99 целых и ещё три девятки после запятой – практически абсолютная чистота, которая
в природе не встречается. Для эталонной сферы был необходим исключительно изотоп кремния-28. В исходном сырье его содержится чуть больше 92%. Остальное – ненужные науке примеси.

Получение изотопа для международного проекта «Килограмм» длилось почти полгода. Сначала газ – тетрафторид кремния – запустили в каскад из тысячи центрифуг. В разделительной установке вещество раскручивают против часовой стрелки со скоростью более полутора тысяч оборотов в секунду. В результате оно разделяется на более тяжёлые и более лёгкие фракции. Кремний-28 – более лёгкий – концентрируется в середине центрифуги. А более тяжёлые 29-й и 30-й его изотопы разлетаются к стенкам. Так работает знаменитый газоцентрифужный метод сепарации.

Встречают баллоны с тетрафторидом кремния уже в Нижнем Новгороде в Институте химии высокочистых веществ им. Девятых. Здесь из них за три недели в специальном реакторе вырастят поликристалл. Заведующий лабораторией высокочистых веществ ИХВВ им. Г.Г. Девятых РАН Андрей Буланов показывает на установку рукой: «Вначале в неё между тоководами, которые находятся снизу и сверху, устанавливается стержень из того же моноизотопного кремния длиной 80 сантиметров и диаметром 8 миллиметров, легированный алюминием. Кремний осаждается на поверхности разогретого стержня, и выделяется инертный газ водород, который через клапан стравливается из камеры. Этот процесс длительный. Таким образом, стержень растёт в диаметре. И в итоге после нескольких недель такого процесса мы получаем кремниевый стержень».

За установкой круглосуточно следят два сотрудника. Главное, чтобы за всё время роста температура была одинаковой, 800 градусов по Цельсию. И в итоге готов поликристалл кремния – стержень высотой 80 сантиметров и диаметром 6 сантиметров. Бережно, как хрустальную вазу, заготовку несут на взвешивание. Результат впечатляет: учёные получили поликристалл весом даже большим, чем требовалось по техническому заданию. Запас – целых 330 граммов. По условиям проекта, таких стержней необходимо вырастить три. Поликристалл упаковывают в тонкую бумагу, забирать его приедут специалисты из Берлинского института роста кристаллов имени Лейбница. Им предстоит превратить поликристалл в монокристалл диаметром 10 сантиметров.

Тем временем в Германии
В Брауншвейге, в двухстах километрах от Берлина, кристалл становится сферой. В Государственном физико-техническом институте Германии Хорст Беттин – глава проекта «Авогадро» – разворачивает долгожданную посылку.

«Прежде всего, это очень дорогая вещь. Такой кристалл из кремния-28 стоит около 2 миллионов евро. Так что мы очень осторожны, когда работаем с ним. Позади у этого кристалла долгий путь, а впереди – большое будущее фундаментальной науки. На станках ещё времён ГДР кремниевую заготовку аккуратно разрезают, и уже потом начинается самый ответственный этап производства – полировка». Как добавляет Рудольф Меесс, глава рабочей группы Производственных технологий РТВ: «На каждом этапе производства форма меняется. Мы начинаем срезать сначала миллиметры, потом микрометры, а здесь, в этой комнате, речь идёт уже о нанометрах. Погрешность максимум 60 нанометров». Доктор инженерных наук Рудольф Меесс признаётся, что он может часами на это смотреть. Во-первых, вращение идеальной сферы из чистейшего изотопа кремния буквально завораживает. А во-вторых, тщательное наблюдение просто необходимо, чтобы избежать ошибок во время шлифовки. Производство сфер требует особой точности, так как необходимо сохранить структуру кристалла.

В итоге три месяца почти непрерывной шлифовки – и вот она, пожалуй, самая идеальная сфера в истории человечества! «Я бы не сказал, что это самая идеальная сфера в мире, потому что я не знаю всех сфер в этом мире. Но я могу только быть уверенным, что мы делаем лучшие сферы, которые когда-либо измеряли на нашем интерферометре. А он, я думаю, лучший в мире», – добавляет Меесс.

Этажом ниже специалист лаборатории рентгеновского анализа РТВ Эдита Байер загружает очередную сферу в рентгеновский спектроскоп. Изучение только поверхности идеального шара займёт не одни сутки. Задача – выявить все посторонние объекты и примеси. Духи и косметика в этой лаборатории под запретом. «Пока я стою, говорю с вами и держу в руках сферу, она загрязняется, и это происходит со всем в этой комнате. В этом нет ничего страшного, но вот на результатах исследования это может отразиться. Поэтому обязательный этап перед измерениями – очищение сферы», – говорит госпожа Байер.

Мытьё сфер – это целая церемония: вода, специально разработанный моющий состав, опять вода и чистейший спирт в конце. Высушить необходимо не вытирая, поскольку сфера не должна потерять ни одного атома, ведь в нашем веке от этого слишком многое зависит. Затем – тщательные измерения. Один прибор анализирует поверхность, другой – внутреннюю структуру. Теперь немецкие учёные планируют разослать такие же сферы коллегам из других стран, чтобы потом сверить полученные результаты и максимально уточнить число Авогадро.

Итак, постоянная Планка или константа Авогадро? От килограмма на основе артефакта – к килограмму на основе физических констант есть два пути, но пока не все страны определились, по какому из них они пойдут. Учёные разработали две формулы, где такое важное понятие, как килограмм, выведено через физические константы.

Тем временем в России
В Санкт-Петербурге научный сотрудник ВГУП НИИ им. Д.И. Менделеева Юрий Каменских устанавливает кремниевую сферу на транспортное устройство для загрузки в вакуумный компаратор масс. «С помощью этой сферы мы можем экспериментировать, применяя вакуумный компаратор с поверхностными свойствами, которые возникают на сфере, передавать единицу массы от гири из платиноиридиевого сплава к кремниевой сфере и от стальных гирь к кремниевой сфере», – поясняет Каменских.

Российские учёные сейчас сосредоточены на изучении кремниевой сферы, но не исключают развития и другого способа определения килограмма с помощью так называемых ватт-весов. Он работают с определением как раз через постоянную Планка. Виктор Снегов, например, уверен в том, что «накоплен довольно  большой опыт, поэтому в принципе 5–7 лет вполне достаточно для создания своих ватт-весов, которые смогут независимо в любом месте и в любое время воспроизводить килограмм».

Так как и когда эти революционные изменения отразятся на нашей жизни? Учёные уверены: очень скоро. И в первую очередь – в медицине. При диагностике и лечении онкологических заболеваний точность, без преувеличения, является вопросом жизни и смерти. Современные методы предъявляют повышенные требования к сфере измерений. Как позиционировать пучок излучения? Как точно рассчитать энергию? В этих вопросах погрешность должна стремиться к нулю. По словам заведующего отделом лучевой терапии МНИОИ им. П.А. Герцена МЗ РФИ им. Д.И. Менделеева Евгения Хмелевского, «точное вычисление дозы, приходящейся на опухоль, позволяет нам точнее прогнозировать и ответ опухоли на лечение, и ответ организма в целом, соответственно. Это позволяет, в свою очередь, увеличить вероятность повреждения опухоли и снизить риск повреждений нормальных тканей. Вот в этом смысле точность беспрецедентна для нас и является действительно важнейшим фактором адекватного лечения».

С новой точностью эксперты прогнозируют настоящие прорывы и в других высокотехнологичных сферах. Абсолютно точно, что изменения в системе единиц в ближайшее время затронут IT-компании, электронику и атомные технологии. Чем выше точность – тем выше качество, уверены и в Росатоме. Как считает главный метролог ГК «Росатом» Николай Обысов, «использование совершенно новых подходов в определении килограмма, а также и других фундаментальных единиц, безусловно, ведёт к переходу к новым технологиям и повышает конкурентоспособность российской атомной отрасли. Мы производим атомные реакторы, производим обогащённое топливо, топливо атомных реакторов, мы декларируем определённые параметры, определённые характеристики этих объектов. Это есть обоснование надёжности аппарата и его безопасности. Если вы будете использовать очень большие «ворота» или большие неопределённости в ваших измерениях, то заказчик ваших технологий не будет уверен в том, что то, что вы декларируете, что вы измеряете, действительно отражает те значения, которые вы указываете.

Миллисекунды, микрограммы, нанометры – это раньше человечество даже не задумывалось о таких величинах. XXI век диктует новые правила. Атомные и космические технологии, медицина, электроника – всё это часть нашей жизни, и малейшая погрешность в измерении теперь способна изменить нашу судьбу. Чтобы больше не было неточностей, необходимо новое понимание системы единиц, которое не даст человечеству заблудиться. Теперь – даже в космосе.