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阿伏伽德罗是意大利一位著名的物理学家和化学家,1819年当选为都灵科学院院士。1820年,意大利设立第一个物理讲座职位时,他荣任这一讲座的教授职位。不久,他担任了意大利度量衡学会会长。在他的努力下,公制在意大利得到推广。
阿伏伽德罗毕生致力于化学和物理学中关于原子论的研究。他受盖-吕萨克定律的启发,1811年提出了一个对近代科学有深远影响的假说:“在相同的温度和压力条件下,相同体积中的任何气体总具有相同的分子个数。”由于受当时的科学条件所限,这个假说长期未被科学界接受。直到他逝世后的1860年,才被当时的科学界普遍接受,称其为阿伏伽德罗定律。为了纪念这位杰出的科学家,后人将标准状态下1摩尔物质中所含的分子数目称为阿伏伽德罗常数。由此可见,如果准确地测量阿伏伽德罗常数的数值,就可以确定摩尔的定义。2011年是阿伏伽德罗提出假说的300周年,300年来,科学家用各种方法企图准确地测量阿伏伽德罗常数,但是由于这个常数数值非常巨大,约为6.23×1023,想要测准这个数值确非易事。计量科学家想到用硅晶体材料来实现精密测量阿伏伽德罗常数的任务,因为硅晶体具有以下几个优越的条件:硅晶体材料具有无杂质、无位错的规则排列,硅原子间距约为0.192nm,是天然的纳米标准,自然生长的硅晶体有3种稳定的同位素28Si、29Si和30Si,其中以同位素28Si的含量为最多。
为了精确测量阿伏伽德罗常数,必须测量硅晶体密度、硅晶格间距和硅的同位素丰度3个参量。其中,硅晶格间距的精密测量是一项关键而又十分复杂和艰巨的工作。我们设想将硅晶格间距增大到人眼能看见的尺寸,就可以置身于一所巨大的硅晶格大厦中,如图2所示。图2中的圆球就是硅原子,原子之间的细杆代表硅晶格间距。由于硅晶格的排列是非常规则的,其间隔也可能是极其稳定的一个数值。人们可能会问,硅晶格参量是否是一个自然不变量?美国国家标准技术研究院(NIST)的Deslattes所做的第一个杰出的测量是开创用参考X射线数据得出绝对标度,成为所有其他实验方法的里程碑。早在1980年,Deslattes就进行了硅晶格参量测定的实验。装置的干涉仪部分中所用的光源是一台633nm碘稳定的氦氖激光器。激光的频率稳定在反兰姆凹陷上,其相应的真空激光波长是632 990.079pm,不确定度为4×10-9。激光的输出功率约为100μW。激光通过模匹配光学元件、圆偏振片和衰减片后进入FP干涉仪用于测量位移。高反膜用于产生精细度接近1500的窄带FP条纹信号,即条纹的明暗周期变化相应于约316nm的半波长。由于X射线的条纹周期近似为0.2nm,可以实现0.001nm的定位准确度。上述实验给硅晶格参量是否是一个自然不变量的问题作了肯定的回答。随着测量技术的不断改进,硅晶格参量的测量不确定度逐渐减小。现已达到10-9量级,国际上已将它看作一个基本常数,称为硅的晶格参数或硅的│220│晶格间距,(│220│是指硅晶格某种特定的排列方向)
为了统一测量条件以利于相互比对,按国际规定,硅晶格参量和硅的│220│晶格间距这两个数值的测量条件都是在真空中、22.5℃的恒温下进行的。硅晶格参量是指无杂质和缺陷的自然生长的理想硅单晶的晶格参数,即单位晶胞的边长a,这是对极纯和近乎完美的单晶硅的测量,通过对杂质的影响进行修正后得到的数据;硅的│220│晶格间距是指在硅的│220│晶格排列方向上的间距。根据国际上各国的测量平均,a0≈0.543 102 088nm,d220≈0.192 015 584nm,20世纪末的测量不确定度约为2.9×10-8量级。
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