Pesare l’evidenza: che cos’è un chilo? Understand article

Tradotto da Paolo Sudiro. Tutti noi sappiamo che cos’è un chilogrammo, o forse no? Ricercatori in tutto il mondo stanno lavorando per definire con precisione quanto è grande questa familiare unità di misura.

Quanto pesa? Quanto è ampia la sua superficie? Qual è la sua temperatura? Queste domande possono sembrare semplici, ma le risposte hanno senso solo quando noi abbiamo definito un valore e una unità di misura.

Più un’unità di misura è generalmente accettata e meglio sono comprese le misurazioni. Immaginiamo ad esempio che questa mattina io abbia camminato per sette furlong per andare al lavoro e voi abbiate viaggiato per 10 km, chi ha fatto il percorso più lungo? Questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di un sistema internazionale di unità di misura.

La prima unità di misura definita internazionalmente è stata il metro (figura 1). Questo condusse anche al primo accordo internazionale sulle unità di misura, quando nel 1875 la Convenzione del Metro a Parigi, in Francia, istituì l’Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure (BIPM, o Bureau International des Poids et Mesures) – un’organizzazione che esiste ancora oggi.

Inizialmente, le sole unità di misura comuni furono la lunghezza e la massa, ma il sistema si è evoluto nel corso degli anni. Perciò la serie iniziale di unità di misura per lunghezza e massa venne ampliata per comprendere i riferimenti per elettricità, fotometria e radiometria, radiazioni ionizzanti, tempo e chimica. La serie completa delle unità di misura di riferimento è indicata come Sistema Internazionale di Unità di Misura^w1 (SI per Système International d’Unités)

Il SI è basato sul sistema metrico e consiste sia di unità base che di unità derivate. Le sette unità base^w2 un sistema di quantità indipendenti e delle loro unità (vedi il riquadro sulle definizioni delle unità base SI). Le unità derivate del SI definiscono tutte le altre quantità in funzione delle unità base. Ad esempio, l’unità SI di misura della forza, il newton, è definita come la quantità di forza necessaria per imprimere a un chilogrammo di massa un’accelerazione di un metro al secondo quadrato.

Un sistema universale?

Un sistema universale di unità di misura presenta vantaggi evidenti, ma c’è ancora molta strada da fare prima che il SI venga accettato globalmente e sostituisca tutti gli altri sistemi. Istituito inizialmente da 17 paesi, il BIPM ha attualmente 55 stati membri. Tuttavia, il grado con cui il SI è stato adottato varia tra gli sati membri. Sia in Gran Bretagna che USA, ad esempio, miglia, pinte, e gradi Fahrenheit sono ancora comunemente utilizzati. Inoltre, anche in paesi completamente metrificati, rimangono popolari delle unità non SI. Queste includono minuto, giorno ed ora, come anche ettaro, litro e tonnellata.

Il caso del chilogrammo

Il chilogrammo è l’unica delle sette unità base ad avere un prefisso (“chilo”) nel suo nome. È anche l’unica che viene ancora ufficialmente definita con un artefatto materiale – mentre tutte le altre sono definite per mezzo di costanti fondamentali o proprietà atomiche (vedi il riquadro sulle definizioni delle unità base SI). Il prototipo internazionale del chilogrammo è un cilindro di lega di platino-iridio, fabbricato nel 1878 e conservato al BIPM (figura 2).

Nel corso degli anni sono state prodotte diverse copie ufficiali che sono state distribuite ai vari uffici metrologici nazionali (la metrologia è la scienza che studia le unità di misura). Con l’aiuto della tecnologia moderna la massa del prototipo e delle sue copie può essere verificata con estrema precisione (fino ad 1 microgrammo), rivelando variazioni significative (figura 3).

È ormai ora, quindi, di stabilire una definizione assoluta del chilogrammo. Questo non richiederà di cambiare la massa del chilogrammo. Quello che cambierà sarà il modo in cui il chilogrammo verrà definito: piuttosto che essere definito come la massa di un oggetto conservato in una camera blindata a Parigi, sarà una definizione riproducibile basata su proprietà atomiche e costanti fondamentali. Usando questa nuova definizione, un laboratorio adeguatamente attrezzato potrà produrre da zero, senza alcun riferimento al prototipo, un oggetto che peserà esattamente 1 kg. Oppure, naturalmente, verificare e calibrare delle bilance con estrema precisione.

Inoltre, ridefinendo il chilogrammo verranno interessate altre tre unità di base: l’ampere, la mole e la candela, le cui definizioni dipendono dal chilogrammo (vedi il riquadro sulle definizioni delle unità base SI).

Fin dagli anni ’90 sono stati seguiti diversi metodi, due dei quali sembrano promettenti. Entrambi intendono definire il chilogrammo in termini di una quantità naturale invariante: in un caso la costante di Avogadro, nell’altro la costante di Planck. Entrambi gli approcci richiedono anche la misurazione delle relative costanti con un’accuratezza senza precedenti.
 

Definire il chilogrammo in termini della costante di Avogadro

Lo scopo del progetto internazionale Avogadro è quello di definire il chilogrammo come la massa di un numero specifico di atomi di carbonio-12. Secondo la definizione attuale, il numero di Avogadro è il numero di atomi presenti in 0.012 kg di carbonio-12. Perciò, se noi riarrangiamo l’equazione, potremmo definire un chilogrammo come la massa di un numero di Avogadro di atomi di carbonio-12 x 1000/12.

Per fare questo, il gruppo di ricerca intende misurare il valore della costante di Avogadro (N_A, che ha lo stesso valore numerico del numero di Avogadro espresso in moli) con una precisione mai raggiunta finora.

Alla base del progetto c’è una sfera di silicio quasi perfetta (figura 4) che pesa esattamente 1 kg, come definito dal prototipo di platino-iridio. Il motivo per cui è stato scelto il silicio invece del carbonio-12 è che se ne possono ricavare singoli grandi cristalli estremamente puri e quasi perfetti.

Gli scienziati stanno utilizzando varie tecniche per determinare la distanza tra gli atomi (il parametro reticolare), la densità del cristallo e la massa molare media del silicio (che comprende diversi isotopi). Utilizzando questi dati saranno in grado di calcolare il numero di atomi contenuti in una sfera di silicio di 1 kg e derivare una nuova e più precisa misura della costante di Avogadro. Questa potrebbe poi essere utilizzata in una nuova definizione del chilogrammo (Andreas et al., 2011; Becker et al., 2003):

1 kg = massa atomica di C-12 x 0.0012 x N_A

Definire il chilogrammo in termini di costante di Planck

L’altro approccio per definire il chilogrammo utilizza una bilancia di Watt^w3, ^w4. La bilancia di Watt, che confronta energia meccanica ed elettrica, venne inventata nel 1975 e impiegata negli anni ’80 per definire meglio la costante di Planck pesando il prototipo di platino-iridio del chilogrammo. Gli scienziati si resero conto che avrebbero potuto rovesciare il procedimento e utilizzare la strumentazione per definire il chilogrammo.

Attualmente il valore misurato della costante di Planck è:

h = 6.626 068 96 x 10^-34 kg m² s^-1

In natura i valori delle costanti fondamentali, come quella di Planck, sono invarianti. Comunque i loro valori numerici (ad esempio 6.626 068 96 x 10^-34) dipendono dalle unità di misura con cui vengono espressi (ad esempio kg, m, s). Perciò fissando il valore numerico della costante si definiscono anche le unità di misura. Nel caso della costante di Planck, il metro e il secondo sono già definiti nel SI. Perciò, come possiamo vedere dall’equazione precedente, misurare con precisione il prototipo del chilogrammo di Parigi, come sarà possibile con la bilancia di Watt, permetterà di misurare h con maggior precisione che in passato. Una volta che questo valore è stabilito, il chilogrammo può venire definito in termini di h, m ed s, indipendentemente dal prototipo.

Diversi istituti metrologici in tutto il mondo stanno lavorando per sviluppare bilance di Watt sempre più precise. Un progetto, condotto dall’Istituto Federale Svizzero di Metrologia (METAS), comprende il CERN (vedi riquadro), che sta sviluppando un tipo di magnete^w3 che sarà cruciale per il funzionamento della bilancia. Lo scopo di tutti i progetti di bilancia di Watt è quello di ottenere una nuova definizione dell’unità di massa – chiamata provvisoriamente chilogrammo elettronico – riducendo l’incertezza dell’attrezzatura sperimentale a  ≤ 5 x 10^-8. Non si tratta comunque di un’impresa semplice, a causa della precisione delle misurazioni e della complessità dell’attrezzatura richieste per raggiungerla.

Le prospettive

Quindi quale dei due approcci verrà utilizzato per definire il chilogrammo? Alla 24^a conferenza generale su pesi e misure del BIPM, nel 2011, è stato proposto che venga utilizzata la definizione basata sulla costante di Planck. Tuttavia, se la proposta venisse accettata, il lavoro sulla costante di Avogadro non sarebbe stato sprecato. Innanzi tutto, la costante di Avogadro può venire impiegata per una nuova definizione della mole^w5. Inoltre, la costante di Avogadro fornisce un metodo alternativo per determinare la costante di Planck^w6 – giungendo così indirettamente alla definizione di chilogrammo. Ma questa è un’altra storia.
 

Altre informazioni sul CERN

L’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN)^w7 è uno dei centri di ricerca più prestigiosi al mondo. La sua missione principale è la fisica fondamentale – scoprire ciò che fa funzionare il nostro universo, da dove deriva e dove sta andando.

Il CERN è un membro di EIROforum^w8, l’editore di Science in School.

Ringraziamenti

Le autrici desiderano ringraziare Simon Andreas, un fisico che opera al Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare, per i suoi utili commenti all’articolo.

References

• Andreas B et al. (2011). Counting the atoms in a ²⁸Si crystal for a new kilogram definition. Metrologia 48(2): S1-13. doi: 10.1088/0026-1394/48/2/S01
• Becker P et al. (2003) Determination of the Avogadro constant via the silicon route. Metrologia 40: 271-287. doi: 10.1088/0026-1394/40/5/010
• Girard G (1994) The third periodic verification of national prototypes of the kilogram (1988-1992). Metrologia 31: 317-336. doi: 10.1088/0026-1394/31/4/007

Web References

• w1 – La fonte internazionale definitiva del SI è pubblicata in francese, ma è disponibile anche una traduzione in inglese.
• w2 – Impara di più sulle sette unità base del sistema SI.
• w3 – Scarica ela spiegazione della bilancia di Watt (in Word® o come  PDF).
• w4 – Visita il sito web del BIPM per ulteriori dettagli sulla bilancia di Watt.
• w5 – Impara dell’altro su come possono venire ridefiniti il chilogrammo e la mole.
• w6 – Impara dell’altro sul progetto internazionale Avogadro.
• w7 – Ulteriori informazioni riguardo al CERN.
• w8 – EIROforum è una collaborazione tra otto delle maggiori organizzazioni intergovernative europee di ricerca scientifica, che uniscono le loro risorse, strutture ed esperienze per sostenere la scienza europea a raggiungere il suo massimo potenziale. Come parte delle sue attività di divulgazione e informazione, EIROforum pubblica Science in School.

Institutions

Author(s)

La Dotoressa Eleanor Hayes è l’editore capo di Science in School. Ha studiato zoologia all’Università di Oxford, in Gran Bretagna, e completato un Dottorato di Ricerca in ecologia degli insetti. Ha quindi passato un certo periodo lavorando nell’amministrazione universitaria prima di trasferirsi in Germania e dedicarsi all’editoria scientifica nel 2001. Nel 2005 si è spostata al Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare per avviare Science in School.

La Dottoressa Marlene Rau è nata in Germania ed è cresciuta in Spagna. Dopo avere conseguito il Dottorato di Ricerca in biologia dello sviluppo presso il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare, ha studiato giornalismo e si è dedicata alla comunicazione scientifica. Dal 2008 è uno degli editori di Science in School.

Review

Questo articolo evidenzia l’importanza di utilizzare un sistema internazionale di unità di misura. Potrebbe essere molto utile per lezioni introduttive di fisica o chimica e potrebbe anche essere usato per argomenti non scientifici come lingue e storia per spiegare quanto è importante seguire convenzioni stabilite (ad esempio la grammatica).

Prima di leggere il testo si potrebbero chiedere agli studenti le seguenti domande, per fare in modo che inizino a pensare ai concetti discussi nell’articolo:

1. Nella scienze è importante avere unità di misura standard?
2. Quando pensate che sia stato istituito il sistema di unità di misura internazionale?
3. Che cosa potrebbe succedere se gli scienziati non utilizzassero unità di misura standard?
4. Potreste trovare un’analogia tra il sistema internazionale di unità di misura e un concetto in un argomento non scientifico come l’italiano, la storia o l’arte?

Poiché l’articolo contiene alcuni dati storici sull’evoluzione del sistema di unità di misura internazionali, potrebbe essere utilizzato per una discussione di storia della scienza, un argomento che raramente viene affrontato nella scuola superiore. Inoltre, questi dettagli storici potrebbero spingere a leggere l’articolo con maggior interesse da parte di studenti poco interessati negli argomenti scientifici.

Mireia Güell Serra, Spagna

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CC-BY-NC-ND