Con un nuevo método se realizó una determinación de la constante de Boltzmann, alcanzando una incertidumbre estándar relativa del orden de 10-4 y aunque esta es 100 veces más grande que la del valor actualmente aceptado y publicado en CODATA, los investigadores de la Universidad de ParÃs-13 y del LNE, aseguran que pronto podrán alcanzar incertidumbres comparables o más bajas, realizando pequeñas mejoras en su sistema.
El nuevo método consiste en una aplicación de la espectroscopÃa de absorción láser. Se hace transitar un haz de laser de CO2 a lo largo de un gas de NH3 contenido en un recipiente cuya temperatura se mantiene constante mediante un un baño. La frecuencia de absorción de las moléculas del gas sufre un corrimiento Doppler según aumenta la energÃa térmica de las moléculas del gas que se manifiesta en el semi-ancho de la lÃnea de absorción, el cual está relacionado con la constante de Boltzmann. Es decir, midiendo el semi-ancho de la lÃnea de absorción, se determina la constante.
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Ludwig Boltzmann (1844 - 1906)
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El método anterior, utilizado en la determinación del valor aceptado por CODATA de la constante de Boltzmann, está basado en la determinación de la Constate Universal de los Gases, R, mediante una técnica de medición de la velocidad de propagación de una onda acústica en argón (Measurement of the universal gas constant R using a spherical acoustic resonator), luego se calcula kB como R/NA, donde NA es la constante de Avogadro. Es claro entonces que las incertidumbres estándares de R, del orden 10-6 y NA, del orden de 10-7, limitan una mejor determinación de kB.
En la nueva técnica la trazabilidad de las mediciones esencialmente está dada por a) las mediciones en la magnitud tiempo, que puede medirse hasta con una incertidumbre del orden de 10-14, lo que es de esperar ayude a una determinación más exacta y b) las masas moleculares que pueden ser medidas por interferometrÃa atómica con incertidumbres estándares del orden de 10-8. Otra ventaja de la nueva técnica es que permite trabajar con presiones de gas 10000 veces menores que en el experimento acústico.
Mediante la nueva técnica se obtuvo para la constante de Boltzmann el siguiente valor:
1,380 65 (26) x 10-23 JK-1, mientras que el actualmente aceptado y determinado por el método acústico, es 1,380 6504(24) x 10-23 JK-1; los números entre paréntesis corresponden a las respectivas incertidumbres estándares.
Un metodologÃa de determinación de la constante de Boltzmann más sencillo, y tan o más exacto que el acústico, es de mucho interés en la comunidad metrológica para la redefinición de la unidad de temperatura, el kelvin (K).
En nuestros dÃas el kelvin se define como la temperatura termodinámica del punto triple del agua multiplicada por 1/273,16. Materializar esta definición tiene varias dificultades prácticas, por ejemplo: asegurar la composición isotópica del agua; por esto varios autores han sugerido cambios en la definición del kelvin basados en fijar la constante de Boltzmann, para luego re-definir el kelvin como la variación de la temperatura termodinámica que resulta del cambio de una determinada cantidad de energÃa térmica.
De esta manera, también será posible relacionar la unidad de temperatura con una constante fundamental, tendencia presente en en las definiciones de todas las magnitudes.
Más información:
El experimento:
- Phys. Rev. Lett. 98, 250801 (2007)
- arXiv:quant-ph/0701176v1
- C. DAUSSY, Ch. J. BORDÉ et C. CHARDONNET, La constante de Boltzmann mesurée par spectroscopie laser, Images de la physique 2006.
Redefinición de unidades del SI:
- Ian M Mills et al, Redefinition of the kilogram, ampere, kelvin and mole: a proposed approach to implementing CIPM recommendation 1 (CI-2005), 2006, Metrologia 43 227-246
El año 2008 será más largo.