കിലോഗ്രാം Redefine ചെയ്യുമ്പോള്‍...

കിലോഗ്രാമിന്റെ definition മാറുകയാണ്.കൂടെ കെല്‍വിനും മോളും ആമ്പയറും മാറും.അതോടെ ഇവ fundamental constantsനെ മാത്രം അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയുള്ളതായിരിക്കും.

കിലോഗ്രാം ഇപ്പോള്‍ ഒരു physical object നെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയാണ് നിര്‍വ്വചിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ളത്.ഫ്രാന്‍സില്‍ സൂക്ഷിച്ചിരിക്കുന്ന platinum iridium cylinderനെ....

ഇതിനെന്താ കുഴപ്പം ? കുഴപ്പമുണ്ട്.

നമ്മുടെ International Prototype Kilogram (IPK) വളരെ വിലപിടിപ്പുള്ളതാണ്.അതുകൊണ്ട് തന്നെ ഇത് ഉപയോഗിക്കുന്നത് ഒരു കാര്യത്തിന് മാത്രമാണ്.മറ്റുള്ള mass standardകള്‍ ഇതുമായി calibrate ചെയ്യാന്‍ മാത്രം...ഓരോ 40 വര്‍ഷങ്ങളിലും.......

പക്ഷേ ഇത്രയൊക്കെ ശ്രദ്ധിച്ചിട്ടും Le Grand K യുടെ മാസ് മാറുന്നതായി സംശയിക്കപ്പെടുന്നു.

അപ്പോള്‍ നമുക്ക് ഒരിക്കലും മാറാത്ത ഒരു mass standard എങ്ങിനെ ഉണ്ടാക്കാം? ”എല്ലാവര്‍ക്കും” ”എല്ലായിടത്തും”ലഭ്യമായിരിക്കുന്നതും ആയിരിക്കണം അത് !

ഈ ആവശ്യത്തിനാണ് Planck constant നെ കൂട്ടുപിടിക്കുന്നത്.Planck constant(h) അറിയപ്പെടുന്നത് ഫോട്ടോണിന്റെ ആവൃത്തിയും ഊര്‍ജ്ജവും തമ്മില്‍ ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന സമവാക്യത്തിലൂടെയാണ്. സമവാക്യം നമുക്കറിയാം.

E=hf (ഇവിടെ Eഎന്നത് Energy യുംf എന്നത് frequencyയും ആണ്. )

മറ്റൊരു സമവാക്യവും നമുക്കറിയാം.E=mc2 ഇതില്‍ നിന്നും hf=mc2 എന്നും m= hf/c2

എന്നും കിട്ടും.

പക്ഷേ പ്രശ്നം ഇനിയുമുണ്ട്..... Planck constantന്റെ വില നമുക്കറിയാമെങ്കിലും അതിന്റെ അവസാന ഡിജിറ്റുകളില്‍ ചില uncertainty ഉണ്ട്.അതാദ്യം പരിഹരിക്കണം.ഇതെങ്ങനെ പരിഹരിക്കാം?അതിന് Planck constantന്റെ വില ആദ്യം fix ചെയ്യണം. ഇതിനായി പല സ്ഥലങ്ങളിലായി നടത്തിയ പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ Planck constantന്റെ വില fix ചെയ്യുന്നു.പിന്നീട് ആ വില ഉപയോഗിച്ച് അതില്‍ നിന്നും കിലോഗ്രാമിനെ നിര്‍വ്വചിക്കുന്നു.

Planck constantന്റെ വില ഏറ്റവും കൃത്യമായി നിര്‍വ്വചിക്കാന്‍ ലോകം മുഴുവനുമുള്ള ശാസ്ത്രജ്ഞർ പല വഴികള്‍ ഉപയോഗപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട്.

അതിലൊന്ന് watt balance ഉപയോഗിച്ചുള്ളതാണ്.ഇതില്‍ പ്രധാനമായും ചെയ്യുന്നത് 1 കിലോഗ്രാം ഭാരത്തെ ഇലക്ട്രോമാഗ്നറ്റില്‍ നിന്നുള്ള ബലം കൊണ്ട് തുലനം ചെയ്യുന്നു.

മറ്റൊന്ന് ഈ ലോകത്തെ “roundest object” ഉപയോഗിച്ചും.

ഇതില്‍ “perfectly round” ആയsilicon sphereല്‍ ഉള്ള ആറ്റങ്ങളുടെ എണ്ണം കണക്കാക്കിക്കൊണ്ടുള്ള രീതിയാണ്..

ഈ രണ്ട് രീതികളും പരസ്പര പൂരകങ്ങളാണ്. Physicsഉം Chemistry യും കൈകോര്‍ക്കുന്നു.അവയില്‍ നിന്നുള്ള കണ്ടെത്തലുകള്‍ താരതമ്യം ചെയ്ത് Planck constantന്റെ കൂടുതല്‍ കൃത്യമായ വില നിര്‍വ്വചിക്കുന്നു.

വാട്ട് ബാലന്‍സിനെ കുറിച്ച് ഒന്ന് കൂടി വിശദമായി പറയുന്നത് നന്നായിരിക്കും.

സാധാരണ ത്രാസില്‍ ഒരു mass ന്റെ ഗുരുത്വാകര്‍ഷണ ബലത്തെ ബാലന്‍സ് ചെയ്യാന്‍ മറുഭാഗത്ത് ഗുരുത്വാകര്‍ഷണ ബലമാണ് ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നത്.എന്നാല്‍ ഒരു Watt balace ല്‍ mass ന്റെ ഭാരത്തെ ബാലന്‍സ് ചെയ്യുന്നത് electromagnetic force ഉപയോഗിച്ചാണ്.ഈ ബലം ഉണ്ടാക്കുന്നത് ശക്തമായ കാന്തികമണ്ഡലത്തില്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്ന ഒരു കോയില്‍ ഉപയോഗിച്ചാണ്.

വാട്ട് ബാലന്‍സ് mass കണക്കാക്കുന്നത് indirect method ല്‍ ആണ്.ഇതില്‍ രണ്ട് കാര്യങ്ങള്‍ കണ്ടെത്തേണ്ടതുണ്ട്.

1.Magnetic field strength.

2.Current through the wire.

ഇത് ചെയ്യുന്നത് രണ്ട് വഴികളിലൂടെയാണ്.

ഒന്നാമത്തേത് velocity mode.ഇതിന് ഒരു ഇലക്ട്രിക് മോട്ടോര്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

കാന്തികമണ്ഡലത്തിലൂടെ ഒരു സ്ഥിര പ്രവേഗത്തില്‍ കോയിലിനെ ചലിപ്പിക്കുന്നു. ഈ ചലനം കോയിലില്‍ ഒരു വോള്‍ട്ടേജ് പ്രേരണം ചെയ്യിക്കുന്നു.ഇത് Magnetic field strengthന് ആനുപാതികമായിരിക്കും.അതായത് Field strength കാണാന്‍ വോള്‍ട്ടേജ് അളന്നാല്‍ മതി.

രണ്ടാമത്തേത് Weighing mode ആണ്.ഇതില്‍ കോയിലിലൂടെ ഒരു കറന്റ് കടത്തി വിടുന്നു.

കോയില്‍ വൈദ്യുത കാന്തമായി മാറുന്നു.അടുത്തുള്ള സ്ഥിര കാന്തങ്ങളുമായുള്ള ഇതിന്റെ ഇടപെടല്‍ കാരണം ഒരു upward force രൂപപ്പെടുന്നു.ഈ ബലം കറന്റിന് ആനുപാതികമായിരിക്കും.അത് അളക്കാനും പറ്റും.

NIST യുടെ Watt balace ല്‍ ബാലന്‍സ് ബീമിനു പകരം ഒരു വീല്‍ ആണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

ഇതിന്റെ ഒരു ഭാഗത്ത് കോയിലും test mass വയ്ക്കാനുള്ള പ്ലാറ്റ്ഫോമും ഉണ്ടായിരിക്കും.

മറ്റേ ഭാഗത്ത് മോട്ടോര്‍ ഘടിപ്പിച്ചിരിക്കും.ഈ മോട്ടോറാണ് velocity modeല്‍ കോയിലിനെ ചലിപ്പിക്കുന്നത്.സെന്‍സറുകള്‍ കോയിലിന്റെ നീക്കത്തെ ട്രാക്ക് ചെയ്യും.ഇതിന് ഇന്റര്‍ഫറോമെട്രി ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു.

കോയിലിന്റെ ചലനം സ്ഥിര പ്രവേഗത്തിലാക്കാനുള്ള ക്രമീകരണങ്ങളുമുണ്ട്.ഈ സ്ഥിര പ്രവേഗംMagnetic field strength കണക്കാക്കാന്‍ സഹായിക്കുന്നു.

Weighing modeല്‍ ഒരു test mass പ്ലാറ്റ്ഫോമില്‍ വയ്ക്കുന്നു.ഇത് കോയില്‍ സ്ഥിതി ചെയ്യുന്ന അതേ ഭാഗത്താണുള്ളത്.കോയിലിലൂടെ ഒരു കറന്റ് ഒഴുക്കുന്നു.കറന്റിന് ആനുപാതികമായി മുകളിലേക്ക് ഒരു ബലം അനുഭവപ്പെടുന്നു.

ഈ upward force ഉം test massന്റെ ഭാരവും തുല്യമാവുന്ന രീതിയില്‍ കറന്റ് ക്രമീകരിക്കുന്നു.അങ്ങനെ സിസ്റ്റം സന്തുലനാവസ്ഥയില്‍ എത്തിച്ച് കണക്ക് കൂട്ടലുകള്‍ നടത്തുന്നു.

വാട്ട് ബാലന്‍സിനെക്കുറിച്ച് ചുരുക്കി ഇത്രയും പറയാം. ഇനി ഇതില്‍ Calculations എങ്ങിനെയാണ് നടത്തുന്നതെന്ന് നോക്കാം.

Weighing modeല്‍ നമുക്ക് mg=BLI എന്ന് ലഭിക്കുന്നു.

(mg=magnetic field x Length of wire in the coil x Current flowing)

ഇതില്‍ magnetic field Strength(B),വയറിന്റെ നീളം(L) ഇവ കൃത്യമായി അളക്കാന്‍ ബുദ്ധിമുട്ടാണ്.എന്നാല്‍ ഈ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാന്‍ kibble balanceല്‍ ഒരു വഴിയുണ്ട്.velocity mode ഇതിന് സഹായിക്കുന്നു.കോയിലില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന വോള്‍ട്ടേജ് (V) നമുക്ക് കണ്ടു പിടിക്കാം.

V=BLv ആയിരിക്കും.(Voltage=B x L x velocity)

നമുക്ക് രണ്ട് സമവാക്യങ്ങള്‍ കിട്ടി.

mg=BLI , V=BLv

അതിനാല്‍ mg/I=V/v

VI=mgv

Electrical power=Mechanical Power

പവറിന്റെ യൂണിറ്റ് വാട്ടാണല്ലോ? അത് കൊണ്ട് തന്നെയാണ് വാട്ട് ബാലന്‍സ് എന്ന പേരും ഉണ്ടായത്.

ഇനി h കാണാനുള്ള സമവാക്യത്തിലേക്ക് എത്താല്‍ വോള്‍ട്ടേജ് കണ്ടു പിടിക്കുന്ന രീതി പറയണം.അതിന് Josephson junction,Josephson effect ഇവയെക്കുറിച്ച് പറയണം.പിന്നീട് quantum Hall effect നെ കുറിച്ചും പറയണം.അതില്‍ Two dimensional electron systems നെ കുറിച്ച് പറയേണ്ടി വരും.ഇതൊക്കെ ഈ ലേഖനത്തിന്റെ scope ന് അപ്പുറത്ത് ആയതിനാല്‍ തല്‍ക്കാലം ഇവിടം കൊണ്ട് നിര്‍ത്താം.