Định nghĩa chính xác đơn vị nhiệt độ (Kelvin) nhờ kỹ thuật phổ laser

Hằng số Boltzmann, k _B, là một hắng số cơ bản của tự nhiên liên hệ năng lượng động lực của các hệ hạt vi mô (ví dụ như phân tử khí...) với nhiệt độ của chúng. Vì thế, nó cũng tạo ra một sự liên kết giữa thế giới vi mô của các nguyên tử, phân tử và các tính chất vĩ mô của hệ ví dụ như áp suất... Hơn nữa, chỉ có duy nhất một kỹ thuật có thể xác định chính xác hằng số này là phương pháp đo vận tốc âm thanh trong khí Argon (Ar), cho độ chính xác 2 phần triệu (2ppm). Cũng có thể xác định hằng số này từ một số phương pháp khác ví dụ như đo nhiễu trong điện trở, xác định hằng số điện môi của khí, đo bức xạ phát ra từ các vật đen... nhưng đều cho độ chính xác kém hơn rất nhiều. Hiện tại, có nhiều kỹ thuật khác nhau để xác định kB nhưng cho những sai số hệ thống khác nhau và đều có những ý nghĩa hết sức quan trọng đối với Ủy ban Đo lường Quốc tế tại Paris (International Committee for Weights and Measures - CIPM), đang có kế hoạch định nghĩa lại thang nhiệt độ Kelvin dựa trên hằng số Boltzmann (kế hoạch cho đến năm 2011).

Sơ đồ nguyên lý của phép đo

Mới đây, Christian Chardonnet cùng các cộng sự của Institut Galilee, Đại học Paris 13 khẳng định rằng họ đã phát triển kỹ thuật phổ laser để tạo ra một cách khác cho phép đo hằng số Boltzmann với độ chính xác tới một phần triệu. Kỹ thuật này khai thác một thực tế là chuyển động nhiệt của các phân tử NH ₃sẽ làm mờ đi các peak trong phổ hấp thụ quang học trong một quá trình gọi là sự mở rộng vạch phổ do nhiệt. Độ rộng của sự mở rộng vạch phổ được xác định nhờ hằng số kB­ cũng như là áp suất và nhiệt độ của khí và tần số ánh sáng hấp thụ. Bằng các đo đạc độ rộng vạch phổ mở rộng là một hàm của áp suất ở nhiệt độ và tần số xác định, nhóm của Chardonnet đã xác định được hằng số kB với độ chính xác tới 2 phần mười ngàn (cụ thể là 1,38065(26).10 ^-23J.K-1).

Phổ hấp thụ ở các giá trị áp suất khác nhau