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In questi giorni una nuova definizione di Chilogrammo

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Fonte: Wired.it  di Viola Rita – link diretto all’articolo

Oggi anche il chilogrammo si rinnova. La sua misura ufficiale, infatti, potrebbe essere a breve ricalibrata con una ottenuta mediante una bilancia diversa rispetto a quella tradizionale, che è conservata in Francia e utilizzata ufficialmente per oltre un secolo. Il nuovo chilogrammo è stato misurato con una bilancia di Planck, un complesso sistema di misurazione che parte dalla costante di Planck, una costante fondamentale nella meccanica quantistica. L’ipotesi di adottare questo nuovo chilogrammo verrà votata da 60 esperti provenienti da diverse nazioni durante la 26a Conferenza generale sui pesi e le misure a Versailles, dal 13 al 16 novembre 2018 in Francia. Se approvata, la nuova misura entrerà in vigore nel maggio 2019. Anche se a livello pratico cambierà poco, come si legge in un articolo su Science.

Il chilogrammo viene definito all’interno del Sistema internazionale di unità di misura (abbreviato Si e spesso indicato come sistema metrico decimale), che insieme al sistema Cgs (centimetro-grammo-secondo), è il sistema di misura più diffuso al mondo.

Per circa 130 anni, dal 1889, la misura del chilo è stata ottenuta attraverso una bilancia tradizionale, costituita da un cilindro di platino e iridio mantenuto in una campana di tre strati di vetro. Questo prototipo, conservato presso l’International Bureau of Weights and Measures a Sèvres, in Francia, serve a identificare materialmente la massa di un chilogrammo, un parametro di riferimento – un’unità di misura, appunto – per misurare qualsiasi altra massa esistente.

Tuttavia, a un secolo di distanza dalla prima misura, questo chilogrammo originale conservato in Francia ha perso circa 50 milionesimi di grammo. Una frazione infinitesimale, che tuttavia può fare una minima differenza, se si considera che copie dell’originale, effettuate successivamente, non hanno perso massa. Anche per questa ragione e per ottenere una misura ancora più precisa, gli scienziati hanno pensato di optare per un metodo tanto impeccabile quanto complesso.

L’idea è quella di utilizzare una bilancia di Planck, che possa essere impiegata in tutto il mondo: potrebbe essere utile, per esempio, alle aziende farmaceutiche per misure di grande precisione come quelle per dosare il contenuto di farmaci e prodotti medici, nonché in ambito forense, per misure tossicologiche e in vari altri settori.

La costante di Planck è fissata ed è esattamente pari a 6.62607015×10-34chilogrammi per metro quadro al secondo, una misura che contiene al suo interno il chilogrammo e da cui questa misura stessa può essere estrapolato. Ma l’impresa non è affatto semplice. In pratica, un peso posto da un lato deve essere bilanciato da una forza elettrica dall’altro lato. Tale forza è strettamente legata con la costante di Planck ed è direttamente associata anche alla misura del chilogrammo. Una misura è stata svolta dall’Università a Ilmenau, in Germania, ma diversi gruppi in tutto il mondo hanno messo a punto la bilancia, ad esempio anche un gruppo coordinato dal Nist statunitense che ha pubblicato uno studio sulla rivista Aip.

Oltre al chilogrammo, anche l’ampère (intensità della corrente elettrica), il kelvin (temperatura) e la mole (quantità di sostanza), che attualmente sono misurate in maniera indiretta, cioè tramite costanti fisiche (altre grandezze), verranno misurate direttamente tramite questo sistema. Il Sistema internazionale include altre tre unità fondamentali, il metro, il secondo e la candela (che misura l’intesità luminosa), che sono già ottenute in maniera diretta.

Alcuni dettagli da un articolo del 2017 della Società Italiana di Fisica: link diretto

La Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) ha programmato, su direttiva del CIPM (Comité International des Poids et Mesures), di approvare nella sua prossima riunione, che avverrà nel novembre 2018, una revisione del SI, che colleghi le definizioni di chilogrammo, ampere, kelvin e mole con valori numerici esatti della costante di Planck h, della carica elementare e, della costante di Boltzmann k, e del numero di Avogadro NA. Sul tema si è svolto l’anno passato il 196˚ Corso della Scuola Internazionale di Fisica “Enrico Fermi” a Varenna.

Dalla revisione conseguirà, in particolare, che l’unico campione fisico ancora in servizio, il prototipo internazionale del chilogrammo, “Le Grand Kilo” per gli amici, conservato con tutte le cure possibili nel Pavillon de Breteuil a Sèvres, andrà in pensione dopo 129 anni di onorato servizio. Il chilogrammo verrà definito fissando il valore numerico “esatto” della costante di Planck (analogamente a quanto già facciamo con c e ε0).

Per realizzare il chilogrammo sono disponibili due metodi. Un metodo, condotto dall’International Avogadro Coordination (IAC), a cui partecipa l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM), conta gli atomi in un monocristallo di 28Si. Il conteggio è reso possibile dall’ordine cristallino e richiede la misura del rapporto tra il volume del monocristallo, una sfera di diametro 93.7 mm, e il volume occupato da un atomo. La derivazione della massa dalla costante di Planck è assicurata dalla misura del rapporto m(28Si)/h, dove m(28Si) è la massa dell’atomo 28Si.

Il secondo metodo utilizza la bilancia di Kibble (watt balance), così chiamata in riconoscimento dei contributi alla metrologia di Brian Kibble, scomparso nel 2016. La bilancia equilibra il peso del campione di massa con la forza generata dalla corrente – misurata in termini di h attraverso l’effetto Josephson (per definire la differenza di potenziale in termini di h/e2) e l’effetto Hall quantistico (per definire l’impedenza in termini di e/h) – in una bobina posta tra i poli di un magnete permanente. Successivamente, la bobina è mossa con velocità costante e si misura la forza elettromotrice indotta – ancora in termini della costante h – per determinare la costante di proporzionalità tra la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica. La massa del campione è quindi ottenuta dal suo peso attraverso la misura dell’accelerazione locale di gravità.

Le condizioni stabilite dal CIPM per accettare la nuova definizione di chilogrammo richiedono il completamento di almeno tre misure di h, indipendenti e consistenti tra loro, a meglio di 50 ppb e una a meglio di 20 ppb. La scadenza per la realizzazione di queste misure era il 1° luglio 2017.

La rivista Metrologia ha recentemente pubblicato una misura ottenuta con la bilancia di Kibble dal National Research Council, h = 6.626 070 133(60) 10–34 Js (precisa a meglio di 9 ppb), una misura del NIST, sempre con la bilancia, h = 6.626 069 934(89) 10–34 Js (precisa a 13 ppb) e una misura dell’International Avogadro Coordination, h = 6.626 070 405(77) 10–34 Js (precisa a 12 ppb). La deviazione standard delle tre misure è pari a circa 36 ppb. L’analisi dei dati è in corso, ma gli elementi per un nuovo chilogrammo sembrano esserci.