Группа австралийских ученых из Университета Аделаиды, Квинслендского университета и Университета западной Австралии произвела точные измерения постоянной Больцмана с целью переопределения понятия «кельвин». Результаты работы опубликованы в Nature Communications.
Современное определение кельвина родом из 1954 года, когда на десятой Генеральной конференции по мерам и весам температура тройной точки воды была принята за 273,16 кельвин. На тринадцатой конференции в 1967/1968 году определение было уточнено как 1/273,16 от температуры тройной точки воды, а из названия было выкинуто слово «градус» (ранее единица называлась «градус Кельвина», по аналогии со шкалой Цельсия), ну и наконец, в 2005 году международный комитет мер и весов уточнил изотопный состав воды, по тройной точке которой определяется кельвин.
И хотя понятие температуры на бытовом уровне очевидно, калибровка измерительных приборов согласно строгому определению международного комитета вызывает затруднения. В последние 50 лет наблюдается тенденция отступления от физических стандартных образцов метра, килограмма (про переопределение международным комитетом килограмма можно прочитать в нашей недавней новости) и секунды в пользу фундаментальных физических постоянных (скорость света, периоды излучения при переходах между сверхтонкими уровнями атомов).
В новой работе для определения константы Больцмана исследователи использовали лазерный квантовый спектрометр, позволяющий очень точно измерить спектр поглощения. Спектр, в свою очередь, позволял определить температуру за счет того, что у движущихся частиц в газе линии спектрального поглощения расширяются в соответствии с эффектом Доплера. Информация о температуре получается из ширины профиля поглощения, который сканируется с помощью излучения перестраиваемого лазера. В качестве линии поглощения в эксперименте авторы использовали одну из линий перехода в атомах цезия-131.
Физический закон, на котором основан метод измерения. ΔνD – доплеровское уширение спектральной линии, имеющей частоту ν0, m — атомная масса, c0 — скорость света в вакууме.
Авторы аппроксимировали уширение линий в спектре поглощения функцией псевдо-Войта (представляющей собой свертку Лоренцева и Гауссова профилей), Лоренцева часть которой отвечает конечному времени жизни переходного возбужденного состояния, а Гауссово уширение возникает из-за эффекта Доплера.
При аппроксимации авторы учли ряд погрешностей, вносимых приборами и системой в целом. Измеренное уширение линии составило 1167.716(3) МГц, по нему авторы определили kB = 1.380545(98)*10-23 Дж/К c относительной стандартной неопределенностью 71 p.p.m. Значение хорошо согласуется с рекомендованным Комитетом по сбору и оценке численных данных для науки и техники значением 1.3806488(13)*10-23 Дж/К.
Универсальная температурная шкала особенно важна для ученых, работающих «на острие науки» при температурах, близких к абсолютному нулю.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение