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【物理】「普遍的な質量の定義」 “人類が手にした最も丸い球体”の体積をひたすら測る 産総研が国際実験

2008年12月07日 15:21

“人類が手にした最も丸い球体”が茨城県つくば市の産業技術総合研究所にある。

産総研では、欧米の研究所と協力してこの“玉”の体積をひたすら正確に測っている。
その測定結果によって「質量」の歴史が変わるかもしれないという。

玉はケイ素(シリコン)結晶で作られ、表面の凸凹は最大でも二万分の一ミリ。
玉は数個あり、その一つは「直径九・三六一八八五二センチぐらい」。
というのは八けた目に誤差があるからだ。誤差をさらに三分の一に抑えるのが目標という。

これほど詳しく測るのには、もちろん訳がある。

 
 ■変化する1キログラム?
パリ郊外の国際度量衡局(BIPM)にある「国際キログラム原器」。
この分銅が世界の質量の基準だ。一八八九年にメートル条約で決められた。
現在、一メートルの長さは光速を基準に定め、一秒の長さはセシウム原子核の発振から決められる。
だが一キログラムは十九世紀の分銅のままなのだ。

原器の質量を基に世界中のはかりが調整される。災害で原器が壊れたら同じものは作れない。
産総研の藤井賢一流体標準研究室長は「原器は水分や有機物が付着して重くなり、
洗うと軽くなると言われる」と説明する。
原器自体が質量の基準なので、百年余りの間にどう変化したのか正確に測る方法はない。

そんなわけで、物理定数を使った普遍的な質量の定義が提案されるようになった。
例えば「炭素原子○○個の重さを一キログラムとする」という方法だ。
炭素には重さの違う同位体がいくつかあるが、この場合は炭素12を使う。

これならいつも正確な一キログラムが決められる。ただ「○○個」を正確に決めなければならない。
それが難しい。

 ■原子を数える
物質中の原子の数は「アボガドロ定数」で示される。
藤井さんたちはここ数年間、BIPMや欧州、米国、オーストラリアと協力して
「アボガドロ国際計画」を発足させ、「○○個」の値、つまりアボガドロ定数を決める実験を重ねてきた。

炭素は測定が難しいのでシリコンを使う。シリコンの結晶一キログラムの中に、
何個のシリコン原子があるかを測れば、炭素原子の数に換算するのは簡単だ。

まず大事なのは一キログラムのシリコンの体積をきっちり決めること。それには球状に磨くのが一番だ。
多角形では、わずかに角が欠けて誤差が出るからだ。そのために作られたのが世界一丸い球体だ。

次に、シリコン結晶の原子と原子の間隔を正確に測り、玉の体積を原子の間隔で割れば
原子の数が出せる。
例えば小箱を段ボール箱に詰める場合、段ボール箱の体積と小箱の寸法が分かれば、
およそ何個詰められるか分かるのと同じだ。

 ■独自の技術
各国には得意技術がある。玉を磨くのはオーストラリア、原子間隔を測るのはイタリアや日本。
体積の測定は日本とドイツ。各国持ち回りで測定する。
藤井さんらは、レーザー光を使って数百方向から球体の直径を測り、体積を算出する装置を開発した。
「正確な波長で自由にレーザー光を出させる装置を組み上げるのに苦労しました」と
研究員の倉本直樹さん。この球の測定は産総研とドイツの独壇場だ。
韓国や中国も追い掛けるが「一から開発すれば十年近くかかる」という。

原器の質量が変化するといっても一億分の数キログラム程度。それ以上の精度で測定できないと
新しい基準として認められない。精度を上げるため、二年がかりで高純度にシリコン同位体を濃縮。
新たに球を作り測定中だ。

「原子数が精度よく決められつつある。二〇一一年に仏で開かれる国際度量衡総会で
新しい質量の定義が議論されるだろう」と藤井さんは期待する。
ソース:東京新聞
http://www.tokyo-np.co.jp/article/technology/science/CK2008112502000156.html
玉の直径を世界最高精度で測る装置
http://www.tokyo-np.co.jp/article/technology/science/images/PK2008112502100056_size0.jpg
産業技術総合研究所
http://www.aist.go.jp/
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