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Metrologie : Wettlauf um das Kilogramm

Der perfekte Silizium-Einkristall zur Neudefinition des Kilogramms Bild: PTB

Mit einer speziellen Waage und einer Siliziumkugel will man das Kilogramm auf Basis von Naturkonstanten neu definieren. Welches Verfahren macht das Rennen?.

          Das Kilogramm ist die einzige physikalische Maßeinheit, die noch immer 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 alle neu angefertigten Gewichtsstücke abstammen. Ärgerlich ist, dass sich die Massen der Duplikate gegenüber ihrem Original im Laufe der Zeit verändert haben. Für viele Wissenschaftler ein unhaltbarer Zustand, deshalb wollen sie das Kilogramm endlich über Naturkonstanten ermitteln. Am National Institute of Technology (Nist) in Gaithersburg versucht man die Masseneinheit an die elektrischen Einheiten zu knüpfen. Dazu bedient man sich einer sogenannten Watt-Waage.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          An einem Arm der Waage ist die zu bestimmende Testmasse befestigt. Deren Gewichtskraft wird zunächst mit der elektromagnetischen Kraft kompensiert, die von einer Induktionsspule in einem Magnetfeld erzeugt wird.

          Ein kleiner Zylinder, nur knapp vier Zentimeter hoch - so sieht das Urkilogramm aus. Es steht gut behütet unter drei Glasglocken in Paris.

          Eine Messapparatur ermittelt den in der Spule fließenden Strom und die wirkende Kraft. Anschließend wird die Spule mit konstanter Geschwindigkeit im Magnetfeld bewegt und die darin induzierte Spannung gemessen. Aus den vier gemessenen Größen Geschwindigkeit, Gewichtskraft, Strom und Spannung ermitteln die Forscher schließlich den Wert der Testmasse und damit auch das Kilogramm.

          Der Clou dabei ist, dass sich die elektrischen Größen über quantenmechanische Effekte, bei denen lediglich Verhältnisse von Naturkonstanten wie die Elementarladung und das Plancksche Wirkungsquantum auftreten, bestimmen lassen. Dass ihre Waage bereits recht gut funktioniert, haben die Forscher am Nist jetzt demonstriert, indem sie die Planck- Konstante bis auf acht Stellen nach dem Komma präzise ermittelten.  In zwei Jahren will man das Kilogramm neu definiert haben.

          Mit dieser Watt-Waage will man am Nist das Kilogramm neu definieren.

          Die perfekte Siliziumkugel

          Ebenfalls in den Startlöchern stehen die Forscher von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Ihr Verfahren beruht auf der Avogadro-Konstanten, die man möglichst präzise ermitteln will. Die Größe bietet sich an, weil sie einen Zusammenhang zwischen atomaren und makroskopischen Massen herstellt. Zu diesem Zweck wird mit immer höherer Präzision eine zehn Zentimeter große und ein Kilogramm schwere Kugel aus Silizium vermessen und dabei die Zahl der Atome im Kristall ermittelt. Voraussetzung für das Vorhaben sind Siliziumkugeln aus möglichst perfekten Einkristallen.

          Diese Hürde hat man überwunden und endlich Proben an der Hand, die fast ausschließlich aus dem Isotop Silizium-28 bestehen und nur wenige Fremdatome enthalten. Nun will man möglichst vielen Forschergruppen in der Welt - darunter auch den Kollegen in Boulder - jeweils eine Kugel als Massennormale überlassen, damit sie eigenständig das Kilogramm neu vermessen.

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