Combien pèse exactement un kilogramme ?

Officiellement, un "kilogramme", c'est la masse d'un cylindre de platine et d'iridium conservé au Bureau International des Poids et Mesures (BPIM) de Paris.

Mais à cause de son âge avancé (122 ans !), il semble que sa masse soit en train de varier, de telle sorte que plusieurs groupes de scientifiques sont en train de lui chercher un substitut.

[caption id="attachment_6587" align="alignleft" width="260" caption="La sphère de silicium-28. Photo : PTB"][/caption]

Cela fait un moment qu'on espère pouvoir définir le kilogramme comme une constante physique plutôt que de se référer à un objet ancien.

Aujourd'hui une équipe allemande de l'Institut Fédéral de Physique et de Technique des Affaires Etrangères (le sigle allemand est PTB) de Braunschweig s'est approchée tout près du but.



En mesurant le nombre d'atomes contenus dans une sphère de silicium²⁸, les physiciens ont pu calculer la constante d'Avogadro avec une précision jamais atteinte auparavant, c'est à dire avec neuf chiffres significatifs : 6,02214084 (18) × 10²³ mol^-1.



Cette constante est très utilisée tant en chimie qu'en physique, car elle représente le nombre d'atomes contenus dans un échantillon d'un élément chimique (le carbone¹² par exemple), dont la masse totale en grammes est égale à la masse atomique relative de l'élément (12 grammes).

Ainsi, cette "nouvelle valeur" de la constante d'Avogadro pourrait représenter le point de départ pour définir l'unité de mesure de la masse.



Après avoir purifié à 99,99 % un échantillon de forme sphérique constitué d'atomes de silicium²⁸, l'équipe a tracé une carte de la surface de chaque atome afin de mesurer son volume grâce à l'interférométrie laser.

Le calcul de ce volume leur a permis de découvrir comment les atomes se placent dans toute la sphère, et ainsi obtenir la constante d'Avogadro avec une incertitude relative de 3,0 x 10^-8.*



Jusqu'à présent les méthodes ont produit des valeurs légèrement différentes pour le kilogramme mais les scientifiques espèrent affiner les mesures actuelles et réduire les erreurs, pour parvenir dans deux ans à élaborer une nouvelle définition du kilogramme.



* Toutefois, pour que le Comité International des Poids et Mesures étudie la redéfinition du kilogramme, cette incertitude doit être inférieure à 2,0 x 10^-8. De plus cette valeur doit coïncider avec des mesures obtenues en réalisant d'autres tests avec le même échantillon. Le plus compliqué est basé sur l'équilibre de puissance, qui mesure la suspension de la masse témoin en utilisant une combinaison de courants électriques et de champs magnétiques. Ces résultats pourraient même être utilisés pour définir le kilogramme dans les termes de la constante de Planck, qui met en relation la fréquence de la fonction d'onde d'une particule avec son énergie.