[论文解读] A multiple of 12 for Avogadro

P. Fraundorf|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2012

History and advancements in chemistry被引用 6

一句话总结

本文提出使用由 m 个六边形石墨烯层组成的石墨棱柱，其中 m ≡ 51,150,060，以建立一个物理上有意义的、可被12整除的整数型阿伏伽德罗常数定义。该结构确保每个棱柱包含整数个碳-12原子，从一阶近似来看与1克的质量一致，为修订后的国际单位制中物质的量提供一种实用且教育上直观的标准。

ABSTRACT

The new International System of Units may let us select an integer value for Avogadro's number. Some might prefer an integer that's divisible by 12, so that an integer number of $^{12}C$ atoms may be associated (at least to first order) with a gram's mass. For educational as well as practical reasons it may also help to choose a {\em physically-meaningful} definition, within measurement error of the current numeric value. Cubes of diamond face-centered-cubic Si and (much rarer) face-centered-cubic C have been proposed, but these structures don't have naturally occurring facets (or numbers of atoms generally divisible by 12). We show here that graphite prisms formed by stacking $m$ hexagonal graphene sheets, with $m \equiv 51,150,060$ carbon-12 atoms on each side, are a natural solution to this challenge.

研究动机与目标

• 为修订后的国际单位制中阿伏伽德罗常数的整数、物理上有意义的取值提供解决方案。
• 确保所选数值可被12整除，从而实现1克碳-12与整数个原子之间的直接关联。
• 寻找一种天然存在或结构上可行的碳同素异形体，其晶面和原子数均可被12整除。
• 提出一种稳定、可扩展且实验上可行的结构——石墨棱柱——能够容纳此类定义的原子数。

提出的方法

• 将石墨棱柱建模为 m 个六边形石墨烯层的堆叠，每层具有特定数量的碳-12原子。
• 选择 m，使得每个棱柱中碳-12原子的总数可被12整除，并且在实验不确定度范围内与当前测得的阿伏伽德罗常数一致。
• 利用石墨和石墨烯的已知原子结构，计算高度为 m 的棱柱中总原子数。
• 验证所得原子数与当前阿伏伽德罗常数的测量值一致，并满足可被12整除的约束条件。
• 评估此类棱柱的结构可行性，指出尽管天然晶面较为罕见，但其与面心立方结构的类比并不适用于石墨。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否找到一种天然存在或结构上可行的碳同素异形体，使其支持一个可被12整除的整数阿伏伽德罗常数？
• RQ2 是否存在一种基于石墨的结构，其碳-12原子总数既为整数又可被12整除，且与当前阿伏伽德罗常数的测量值一致？
• RQ3 具有 m = 51,150,060 层的石墨棱柱是否能提供一个物理上有意义且教育上实用的物质的量定义？
• RQ4 与金刚石或硅立方体等其他提议相比，所提出的石墨棱柱结构在原子数可除性与结构可行性方面有何优势？

主要发现

• 由51,150,060层堆叠的石墨烯层组成的石墨棱柱，其碳-12原子总数为整数且可被12整除。
• 此类棱柱中碳-12原子的总数在测量误差范围内与当前测得的阿伏伽德罗常数一致。
• 该结构提供了一个物理上有意义的、基于整数的阿伏伽德罗常数定义，支持1克碳-12与整数个原子之间的直接、直观关联。
• 所提议的棱柱结构克服了以往提议（如面心立方硅或碳）的局限性，后者缺乏天然存在的晶面或可整除的原子数。