那么,阿伏伽德罗常数是怎么得到的呢?历史上有很多种测量的方法,比如说布朗运动法、油滴法、电量分析法,而现在,为了得到最精确的数值,采用的是X射线晶体密度法。
这种方法的关键在于,首先要制造一个非常圆、非常完美的球。这个球球的成分是高纯硅-28晶体,重量是整整的一千克。制造它可是挺费工夫的,首先要得到高纯度的硅晶体,然后经过精确的计算和打磨才行。那么阿伏伽德罗常数怎么测呢?其实说白了就是数原子。
这个硅球的晶格排列是非常规律的,原子量和总的质量又都确定,所以只要通过晶格参数算出原子的数量,就可以计算阿伏伽德罗常数了。
顺便说,最近一次发表的阿伏伽德罗常数测算结果是6.02214082(11)x10^23。为什么需要非常准确地测量这个常数?一个原因在于,科学家们要用精确的物理常数来重新定义质量。一直以来,人们定义质量单位的方法还很简单粗暴,就是铸一坨的铂铱合金。
然后将它的质量作为“一千克”的标准,所有其他的仪器和东西再和它来校准。这坨铂铱合金就是千克原器,它的原件存放于法国巴黎国际计量局,至今已经用了一百多年。就是下面这个样子:可以看出,为了保持它的稳定。
人们在保存时隔绝了外界空气,并且铂铱合金本身就是一种非常稳定的材料了。至今,千克原器的质量基本上也没有变化——听起来还OK?但作为一个重要的标准,只保证“基本”可不行啊。事实上,它的质量还是变了。
虽然只是几十微克级的变化,但依然会对需要精准度量的场合造成很多影响。于是怎么办呢?科学家们想的办法就是,我们不用实物了,通过物理常数重新定义质量吧,只要常数测的足够准,它就可以一直稳定下去了。
目前确定的要拿来定义质量的是普朗克常数,听起来和这个硅球还是没啥关系?其实,测算阿伏伽德罗常数就是给普朗克常数校准的一种方法,它可以帮科学家们检查质量的新标准是否准确。