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阿伏伽德羅常數(shù)NA的準(zhǔn)確測量方法:X射線晶體密度(XRCD)法

作者:宋檢 時(shí)間:2022-11-09 來源:互聯(lián)網(wǎng)

作為連接原子和宏觀尺度的阿伏伽德羅常數(shù)NA代表一個(gè)摩爾的無量綱實(shí)體數(shù)。要解決準(zhǔn)確得出這個(gè)數(shù)值的問題,需要以高精度對單晶體進(jìn)行直接計(jì)數(shù)。阿伏伽德羅常數(shù)NA可以用硅晶體的參數(shù)表示為

NA=nM/ρa(bǔ)03 (1)

式中:NA——摩爾體積nM與原子體積ρa(bǔ)03之比,即摩爾質(zhì)量Mmol與原子質(zhì)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(jìn)行準(zhǔn)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(jié)構(gòu)和晶格間距的知識(shí)導(dǎo)出。這些測量因此包含了雜質(zhì)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(zhì)量和同位素組分(Si有3種穩(wěn)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(zhǔn)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(nèi),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(gòu)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(yīng)分成兩束,一束是透過束,另一束是衍射束。再經(jīng)第二塊晶體后,由于衍射效應(yīng)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(dòng)的,如圖3中箭頭所示,稱為分析器。當(dāng)分析器每移動(dòng)一個(gè)晶格間距,在晶體上匯聚的X射線的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生一次強(qiáng)弱的變化,類似于光學(xué)干涉儀的明暗條紋。因此,在分析器平穩(wěn)地沿著晶格間距的方向作平移時(shí),接收X射線周期性的強(qiáng)弱信號(hào)相當(dāng)于記錄了晶格間距的移動(dòng)數(shù)量。如果能記錄一百萬個(gè)移動(dòng)信號(hào)數(shù),測量的不確定度就可達(dá)1×10-6量級,這時(shí)的移動(dòng)量為0.2mm。在20世紀(jì)后幾十年內(nèi),美、德和日本等國的X射線干涉儀的分析器的移動(dòng)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(shù)的測量數(shù)值來定義物質(zhì)的量摩爾,已具備了足夠的條件,但要定義質(zhì)量千克,其測量不確定度尚需提高一個(gè)量級,這也是國際上產(chǎn)生爭議的主要原因。

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設(shè)備的量值溯源是質(zhì)量控制的保證。量值溯源的一致性是國際間相互承認(rèn)測量結(jié)果的前提條件,國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可將量值溯源視為測量結(jié)果可信性的基礎(chǔ)。為確保檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性,應(yīng)對檢測結(jié)果有影響的檢測儀器設(shè)備進(jìn)行檢定/校準(zhǔn),保障量值的可溯源性。(1)對儀器設(shè)備進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)。檢定/校準(zhǔn)可分為購買后首次檢定/校準(zhǔn)、周期性檢定/校準(zhǔn)、維修后的檢定/校準(zhǔn)。(2)特殊情況下的量值溯源。對不可能溯源到國家計(jì)量基(標(biāo))準(zhǔn)的檢測儀器設(shè)備,應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室間的比對或能力驗(yàn)證計(jì)劃,來提供滿足檢測規(guī)定要求的證據(jù)。(3)儀器設(shè)備的自校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室對無法檢定/校準(zhǔn)的儀器設(shè)備,可采用溯源到國家基(標(biāo))準(zhǔn)的方法,確認(rèn)該設(shè)備能否滿足檢測規(guī)定要求。對無法一一送檢的器具(如玻璃量具)可進(jìn)行自校,但必須滿足3個(gè)條件:一要有檢定合格的器具作為依據(jù);二要有經(jīng)過法定計(jì)量部門培訓(xùn)合格的自校人員,持證上崗;三要有自校準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書。

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