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阿伏伽德羅常數NA的準確測量方法:X射線晶體密度(XRCD)法

作者:宋檢 時間:2022-11-09 來源:互聯網

作為連接原子和宏觀尺度的阿伏伽德羅常數NA代表一個摩爾的無量綱實體數。要解決準確得出這個數值的問題,需要以高精度對單晶體進行直接計數。阿伏伽德羅常數NA可以用硅晶體的參數表示為

NA=nM/ρa03 (1)

式中:NA——摩爾體積nM與原子體積ρa03之比,即摩爾質量Mmol與原子質量mat之比,即

NA=nM/Vat=Mmol/mat

NA=Vmol/Vat=Mmol/mat (2)

因此,必須對以下量進行準確測量:

單晶硅原子所占的體積,這要從高度**和高純硅晶體的結構和晶格間距的知識導出。這些測量因此包含了雜質原子的含量及自身的缺陷。

同類晶體的宏觀密度、硅晶體的摩爾質量和同位素組分(Si有3種穩定的同位素:28Si、29Si和30Si)。為了避免同位素29Si和30Si含量的影響,國際上目前采用純同位素28Si制造的硅密度基準和X射線干涉儀。

我們知道,X射線的波長在(0.01~100)nm范圍內,正好處于晶體間距的量級,因此成為晶體間距測量的合適的光源。X射線干涉儀的原理就是用3塊硅晶體構成干涉儀的主體,如圖3右下方所示。鉬Kα射線射入**塊晶體后,由于X射線的衍射效應分成兩束,一束是透過束,另一束是衍射束。再經第二塊晶體后,由于衍射效應又匯聚在第三塊晶體上。前兩塊晶體的位置是固定的,而第三塊晶體是可移動的,如圖3中箭頭所示,稱為分析器。當分析器每移動一個晶格間距,在晶體上匯聚的X射線的強度會發生一次強弱的變化,類似于光學干涉儀的明暗條紋。因此,在分析器平穩地沿著晶格間距的方向作平移時,接收X射線周期性的強弱信號相當于記錄了晶格間距的移動數量。如果能記錄一百萬個移動信號數,測量的不確定度就可達1×10-6量級,這時的移動量為0.2mm。在20世紀后幾十年內,美、德和日本等國的X射線干涉儀的分析器的移動量一般都在100mm的量級,因此,測量硅晶格間距的不確定度均在10-8量級。因此,用阿伏伽德羅常數的測量數值來定義物質的量摩爾,已具備了足夠的條件,但要定義質量千克,其測量不確定度尚需提高一個量級,這也是國際上產生爭議的主要原因。

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