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Kilogramm : Kostbare Siliziumkristalle für eine gewichtige Sache

Rohling für die Kilogramm-Bestimmung Bild: Josef Zens / Forschungsverbund Berlin e.V.

Die Maßeinheit Kilogramm soll wie alle anderen Größen bald über Naturkonstanten definiert werden. Doch dazu benötigt man extrem reine und perfekte Kugeln aus Silizium. Forscher in Berlin haben zu diesem Zweck die besten jemals vorhandenen Einkristalle gezüchtet.

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          Das Kilogramm ist die einzige physikalische Maßeinheit, die noch nicht über Naturkonstanten definiert wird, sondern über eine makroskopische Größe – einen Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung. Weltweit gibt es vom Urkilogramm nur wenige Kopien, von denen letztlich alle neu angefertigten Gewichtsstücke abstammen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Im Labor gibt es bereits Versuche, das Kilogramm über Naturkonstanten zu ermitteln. Ein Verfahren beruht auf der Avogadrokonstanten. Die Größe bietet sich an, weil sie einen Zusammenhang zwischen atomaren und makroskopischen Massen herstellt. Chemiker nutzen sie dazu, das richtige Mengenverhältnis für die Ausgangsstoffe einer Reaktion zu ermitteln. Multipliziert man mit ihr zum Beispiel die Masse eines Kohlenstoffatoms, die zwölf atomaren Masseneinheiten entspricht, ergibt sich eine Stoffmenge von zwölf Gramm.

          Perfekte Kugeln für das neue Kilogramm

          In ähnlicher Weise lässt sich das Kilogramm bestimmen. Eine internationale Forschergruppe unter Federführung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig will deshalb die Avogadrokonstante auf mindestens acht Stellen hinter dem Komma genau ermitteln. Voraussetzung für das Vorhaben sind Kugeln aus möglichst perfekten Einkristallen. Diese lassen sich aus Siliziumkristallen fertigen, wie sie hier abgebildet sind.

          Bild: Josef Zens / Forschungsverbund Berlin e.V.

          Doch nur der vordere Einkristall der Gruppe erfüllt jetzt alle Voraussetzungen für die Neudefinition des Kilogramms. Denn er zeichnet sich dadurch aus, dass er fast ausschließlich aus dem Isotop Silizium-28 besteht und nur wenige Fremdatome enthält. Hergestellt wurde der Kristall von Forschern des Instituts für Kristallzüchtung in Berlin. Das Material selbst wurde aus Russland bezogen, wo es mit einem speziellen Verfahren angereichert wurde. Ziel war es, Silizium mit einer möglichst hohen Isotopenreinheit zu gewinnen. Wie Analysen ergeben haben, befinden sich unter hunderttausend Siliziumatomen höchstens sechs Silizium-Isotope mit einer anderen Masse. Jetzt sollen zwei perfekte Kugeln aus dem Rohling gefertig werden.

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