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Neudefinition einer Naturkonstante

Die Massenormale der PTB für das neue Kilogramm sind einsatzbereit

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Auch das Ampere wird neu definiert

Eigentlich würde das zur Neudefinition des Kilogramms ausreichen. Es könnte als die Masse einer bestimmten Anzahl von Atomen eines bestimmten Isotops definiert werden. Die Einheit der Stromstärke, das Ampere, soll künftig ebenfalls über eine Naturkonstante definiert werden – und zwar über die Ladung des Elektrons. Gelingt das, fehlt nur noch die Planck-Konstante, um die Einheiten Spannung und Widerstand daraus herzuleiten. Daher wollen die Masse-Metrologen ihren Kollegen die Planck-Konstante gleich mitliefern.

Denn wie es der Zufall will, sind Avogadro- und Planck-Konstante über eine feste physikalische Relation miteinander verknüpft (molare Planck-Konstante). Ist eine Konstante mit ausreichender Genauigkeit bestimmt, lässt sich auch die andere berechnen. Um es einheitlich zu halten, hat man sich daher international auf die Planck-Konstante zur Neudefinition des Kilogramms geeinigt, was dann auch den Metrologen der Stromstärke nützt.

Während Stephan Schlammingers Team in den USA, Wissenschaftler in Kanada und anderen Ländern die Planck-Konstante mit einer Wattwaage ermitteln wollen, gehen die deutschen Wissenschaftler den Weg über die Avogadro-Konstante. Dazu zählen sie die Atome in einer 28Si-Kugel. Jedes Atom einzeln zu zählen, ist jedoch nicht möglich – und auch nicht nötig. Wer würde schon jedes Feld eines Schachbrettes zählen, um auf die Gesamtzahl der Felder zu kommen, wenn einfache Mathematik auch zum Ziel führt? Das geht natürlich auch in drei Dimensionen.

Ähnlich gehen die Wissenschaftler der PTB beim Avogadro-Projekt vor. In einem nahezu perfekten Kristall, wie dem aufwendig gezüchteten 28Silizium-Einkristall, aus dem die PTB ihre Si-Kugeln formt, sind die Atome regelmäßig im Kristallgitter angeordnet. Mittels Röntgenstrahlung lässt sich die Gitterstruktur sichtbar machen und das Atomvolumen bestimmen. In einem weiteren Schritt ermitteln die Wissenschaftler den Kugeldurchmesser.

Dazu wird der Durchmesser der Kugel mit einem Kugelinterferometer an ihrer Oberfläche über eine Million Mal bestimmt. So lässt sich der gemittelte Durchmesser bis auf drei Atomdurchmesser genau bestimmen und das Volumen berechnen. Aus dem Verhältnis der beiden Volumina ergibt sich die Atomanzahl in der Kugel. In der PTB kann man das bereits so gut, dass sich die Wissenschaftler nur alle hundertmillionen Atome um ein bis zwei Atome verzählen. Durch all diese Messungen und Berechnungen wissen die Forscher, aus wie viel Mol Silizium ihre Kugel besteht und wie viele Atome in einem Mol stecken. Letzteres entspricht der Avogadro-Konstante.

Stabilere Massenormale

Dank ihres Know-hows kann die PTB wesentlich stabilere Massenormale als das Ur-Kilogramm anbieten, die zur Not jederzeit neu hergestellt werden können. Neben dem „Rezept“ für ein neues Kilogramm sind dann die 28Si-Kugeln das Maß aller Dinge. Drei qualitativ und preislich unterschiedliche Kugeln sollen künftig von der PTB angeboten und von Metrologieinstituten und Kalibrierlaboratorien erworben werden können: zum einen die fast isotopenreinen 28SI-Kugeln und die sogenannten quasi-primären Normale aus Silizium mit natürlicher Isotopenzusammensetzung.

Beide kann derzeit nur die PTB anfertigen. Zum anderen eine dritte Variante, ein Sekundärnormal, das kostengünstiger auch von der Industrie hergestellt werden kann. Diese Kugeln wären dann etwas weniger rund. „Auf der Ebene der Atome betrachtet, sind unsere Si-Kugeln fast perfekt; die Sekundärnormale sind im Vergleich eher Kartoffeln“, sagt Frank Härtig. Dennoch sind sie immer noch bestens geeignet, um den Waagen der Zukunft zu sagen, was ein Kilogramm ist.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke Elektronikpraxis.

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