DE UNA ESFERA DE SILICIO AUN PATRON DE I(ILOGRAMO

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Un nuevo kilogramo EL OBJETO QUE DEFINE EL KILOGRAMO, LA UNIDAD FUNDAMENTAL DE MASA, SE CONSTRUYO HACE MAs DE UN SIGLO. DEBE SUSTITUIRLO UN PATRON MAs PRECISO Y BAS ADO EN UNA PROPIEDAD INVARIABLE DE LA NATURALEZA IAN ROBINSON H Oy que las tecnicas envejecen con celeridad, re.sulta paradojico que las medidasde la masa y de los fen6menos relacionados con ella, como la energfa) dependan de un artefacto de 117 afios de antigtiedad guardado en las camaras acorazadas de un pequefio laboratorio de las afueras de Paris, la Oficina Internacional de Pes as y Medidas. Segun el Sistema Internacional de Unidades SI),0 sistema rnetrico",el kilogramo es igual a la masa de este prototipo internacional de kilogramo" PIK),un cilindro de una aleaci6n de platino e iridic, fabricado con gran precision, de 39 milfrnetros de altura e igual diametro, EI SI esta administrado poria Conferencia General de Pesas y Medidas y el Comite Internacional de Pesas y Medidas. En los ultimos decenios, la Conferencia ha redefinido otras unidades basicas del SI las establecidas pOI' convenci6n y de las que se deducen las dernas) para mejorar su precision y mantenerlas acordes con el adelanto del conocimiento cientifico y tecnico. Los patrones del metro y el segundo se basan ahora en fenomenos naturales. EI metro se relaciona con la velocidad de la luz, mientras que el segundo esta fundamentado en la frecuencia de las microondas emitidas pOI' un determinado elemento en la transici6n entre dos de sus estados energeticos .Hoy dia, el kilogramo es la ultima unidad del SI que continua dependiendo de li t, 58 un objeto manufacturado y unico. Esa dependencia plantea problemas al aumentar la finura de las tecnicas de medici6n. POI' eso, los metrologos se proponen definir la masa mediante tecnicas que dependan solo de caracterfsticas inmutables de la naturaleza. Dos planteamientos parecen los mas prometedores. Uno se basa en las nociones en que descansa la con stante de Avogadro, o mimero de atornos en 12 gramos de carbono 12; el otro recurre a la constante de Planck, el valor fundamental con que se calcula, pOI' ejemplo, la energfa de un foton a partir de su frecuencia. Como las constantes se miden en unidades del SI kilogramo incluido),cualquier cambio en la masa real del PIK dara lugar a un desplazarniento en el valor de cualquier constante que se mida, una paradoja para fen6menos que se consideran pOI' 10 cormin inmutables. Sin embargo, en el proceso de redefinir de manera mas precisa el kilog ramo con independencia del PIK, se elegira una mejor estirnacion del valor de la constante, que quedara as! fijada".5 u-c o i= 3. UJ o c z; o U o ~1. ESTE ClliNDRo DE METAL Iderecha),fabric ado can gran precision, que pesa un kilogramo, es el patron de masa can que se calibran en Italia todos los aparatos de medir masas. Igual que los demas estandaras de masa nacionales del mundo, asta se ha calibrado, a su vez, can un patron idantico, artificial tarnbien, que se guard a en Francia. INVESTIGACION Y CIENeIA, febrero, 2007 uJ c Ui UJ f- a; o u g. UJ Z o ii' 69 LOOl 'OJ8Jq8j fI:JN313 A NQI:J\f9IlS3ANI DE UNA ESFERA DE SILICIO AUN PATRON DE I(ILOGRAMO Una manera de redefinir el kilogramo consisle en cuanlificar con precision el nurnsro de atomos de una esfera de silicic .que pesa un kilogramo. 1 Se empieza can silicio natural una mezcla de tres lsotopos, 28Si, 29Si Y 30Si),que reacciona can fluor para crear ftuoruro de silicio gaseoso SiF4 )2 Se colaca el SiF4 en centrifugadoras, que giran rapidamente para separar de los otros al is6topo mas ligero, el 28Si. 3 EI material solidificado resultante tiene una concentraci6n de 28Si cercana al 99,99 par ciento. Este slllclo refinado se funde para hacer un lingote de silicio cristalino casi perfecto. 4 Ellingote recristalizado se corta en forma de pieza cilindrica grande y se extraen varias muestras menores para su analisis, 5 Se coloca una de las muestras en un espectr6metro de masas para comprobar la pureza del material y as! su masa molar media (m),su masa par mol. Un espectr6metro de masas determina la composici6n isot6pica delamueslra 28Si casi puro­ Zona de fusi6n Cenlrifugadora de gas Cristalde silicio de un unico is6topo casi perfecto t Red de mediciones La actual definici6n del kilogramo requiere que todas las medici ones de masa del S1 realizadas en el mundo se relacionen con la masa del prototipo internacional de kilogramo. De ordinario, la masa" se iguala con el peso",pera la masa de un objeto se refiere a la cantidad de materia que contiene, mientr as que su peso se debe a la atracci6n gravitatoria entre el objeto y la Tierra.)A fin de establecer dicha relaci6n, los metr6logos sacan el P1K de su santuario cada 40 afios aproximadamente, para calibrar las copias del P1K que se envian a las oficinas de pesas y medidas de las 51 nacione s signatarias del "Convenio del Metro",el tratado que rige el Sf. Una vez ajustadas, las copi as se utili zan para calibrar los patranes de masa de los es tados miernbro, en una cadena larga e ininterrumpida que se propa ga hasta las balanzas y dernas instrum entos empleados en laboratorios y fabricas del mundo entero. Tiene sentido econ6mico contar con un estand ar de masa estable e inmutable. Pero la experiencia indica que la masa del P1K varia co n el tiempo .Observando los cambios relativos de los otras patrones de masa fabri- EI kilogramo patron de la unidad baslca de masa ha superado, de lejos, el siglo de exislencia: un cilindro de metal del tarnafio de una ciruela .EI incesante progreso tecnico requiere una nueva definicion, que se base en una propiedad fundamental de la naturaleza. Se estan siguiendo dos mstodos. Uno calcula el nurnero de atornos de silicio en un kilogramo de silicio puro. EI otro recurre a una cornparaclon indirecta de potencias rnecanlcas y electrlcas para medir el kilogramo a partir de longiludes, tiempos y etectos rnecanico­cuanticos. r _ 60 Sabina calentadora j Lingole cortado 6 Otra muestra se analiza interferometrlcamente para medir la distancia entre los planes at6micos del cristal. Can esa longitud, se establece el tarnano de su "celda unidad" ia menor estructura que se repite) definida par ocho atomos en los vertices. Celdaunidad 28Si Con interferometria derayos Xy 6plica semide la I longilud (a) del a lado de la celda unidad r L cados al mismo tiempo que el P1K y analizando viejas y nuevas mediciones de las consta ntes fund ament ales relacionadas con la masa (de las que se piensa que no cambian perceptiblemente con el tiempo),se ha visto que la masa del P1K ha debido de crecer 0 disminuir unos 50 microgramos, 0 mas, durante los iiltimos 100 afios, La deriva podria haber sido causada pori a contaminaci6n del aire acumulada 0 pOI' perdidas por abrasi6n. Como las unidades basicas del S1 sustentan la cien cia y la industria en todo el mundo (via las cadenas de calibr aci6n de estandares nacionales),es esenci al aseg urarse de que no vanan con el tiempo. Basadas en la naturaleza La misma inconstancia que aqueja a la definicion del kilo gramo afectaba tarnbien en el pasado al segundo y al metro .Se definfa antafio el segundo a partir de la velocidad de rotaci6n de la Tierra. En 1967 se redefinio como "la duraci 6n de 9.192 .631.770 perfodo s de la radia ci6n correspondi ente a la transici6n entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del atomo de ce sio 133" Los met rologos intradujeron este cambio porque el ritmo de rotacion de nuestro planet a no es constante, mientras que la longitud de ond a de la radiacion emitida por el ces io 133 dur ante una transici6n especffica -es decir ,el tictac de un reloj atomico- no se altera con el tiempo y la medici6n puede reproducirse en cualquier parte del mundo. Aunque la definicion del seg undo no se basa en un artefacto, se resiente de su dependencia de una transici6n particular de un determinado atorno, que por desgraci a resulta ser mas sensible a los campos electromagneticos de 10 que serfa deseable. Qui zas haya que cambial' la definici6n en el futuro para acomodarse a los reloj es opticos, aiin mas exactos, que se esta n des arroll ando .La definici6n del metro result a mas firme. El S1 la basaba original mente en un objeto :era la distancia entre INVESTIGACIDN Y elENCIA, febrero, 2007 I 7 Mientras, se convierte el cillndro de silicio en una esfera casi perfecta. 8 Se calibra el dlametro exacto de la esfera acabada con tecnlcas interferometrlcas de alta precisi6n. Instrumento de pullr 9 En una balanza ultraprecisa se comparan la masa de la esfera y la masa de un kilogramo patr6n con una tara, a fin de encontrar la diferencia. dos lfneas grabadas en una barr a muy estable de platino e iridio. En 1983 el metro pas 6 a ser "la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacfo durante un interva lo de tiempo de 1/299.792.458 seg undo".Esta defini ci6n debfa tarnb ien ser resistente, porque fijaba el valor de una constante ffsica clave, la velo cidad de la luz ,en exactamente 299 .792.458 metros por segundo. Asf, el progreso en el control y la medi ci6n de la fre cuencia de la radiaci 6n electrornagnetica (el mimero de vibrac iones sinusoidales por segundo) mejorara la exact itud con que podamos medir el metro, sin que ella requiera nin gun cambio en la defini ci6n de la unidad. Recuento at6mico 2 S o a: 1ii