Das METAS publiziert neuen Wert für die Plancksche Konstante
Die Ablösung des Urkilogramms rückt näher
Bern-Wabern, 05.04.2011 - Weltweit wird nach einer neuen Definition für das Kilogramm geforscht, damit diese Einheit den gestiegenen Ansprüchen von Wissenschaft und Technik weiterhin genügt. Mitarbeiter des Bundesamts für Metrologie (METAS) sind an diesen Arbeiten beteiligt, unter anderem mit dem Watt-Waage-Experiment. Soeben haben sie in einer international anerkannten wissenschaftlichen Zeitschrift Resultate dieses langjährigen Experiments veröffentlicht.
Wissenschaft, Verwaltung und Technik benötigen immer genauere Messungen. Damit steigen auch die Anforderungen an die Masseinheiten. Metrologen, die Spezialisten für die Wissenschaft und Technik des Messens, haben deshalb über die Jahre mehrere Einheiten des Internationalen Einheitensystems neu festgelegt. Dabei haben sie darauf geachtet, die Einheiten auf Naturkonstanten zurückzuführen, die unabhängig von Ort und Zeit sind. Dieser Schritt ist bei der Einheit der Masse, dem Kilogramm, noch nicht erfolgt.
Das Kilogramm ist ein Anachronismus im Internationalen Einheitensystem. Es ist als einzige der sieben Basiseinheiten bis heute über ein künstliches Objekt definiert: das Urkilogramm in Paris. Diese Definition hat mehrere Nachteile. So ist der Prototyp nur an einem Ort verfügbar. Auch gibt es Hinweise darauf, dass sich die Masse des Urkilogramms ändert – einige Millionstel Gramm pro Jahrzehnt. Genau weiss man es nicht, denn ein absoluter Massstab fehlt.
Deshalb arbeiten Metrologen an Experimenten, die als Grundlage für eine Definition des Kilogramms dienen können. Das Bundesamt für Metrologie (METAS), das nationale Metrologieinstitut der Schweiz, setzt dabei auf die Idee der Watt-Waage. Dieser Ansatz beruht auf einem präzisen Vergleich mechanischer und elektrischer Leistung. Ein komplexes, zweiteiliges Experiment macht es möglich, das Kilogramm über elektrische Einheiten mit einer Naturkonstante, der Planckschen Konstante, in Beziehung zu setzen.
Watt-Waage: ein hoch kompliziertes Messinstrument
In der Praxis ist die Watt-Waage ein hoch kompliziertes Messinstrument, das mehrere Grössen gleichzeitig mit äusserster Genauigkeit messen muss. Nach einer langen Messserie und einer sorgfältigen Analyse aller denkbaren Einflussfaktoren wurde nun das erste Resultat der METAS-Watt-Waage in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Metrologia (www.iop.org/EJ/journal/Met) publiziert. Die Plancksche Konstante wurde mit einer relativen Unsicherheit von 3x10-7 bestimmt. Die Messunsicherheit ist ein Mass für die Genauigkeit. Das endgültige Ziel einer Unsicherheit von 2x10-8 soll in den nächsten vier Jahren mit einer verbesserten Version des Experimentes erreicht werden. Diese Unsicherheit ist für eine Neudefinition des Kilogramms erforderlich.
Nebst dem METAS-Team arbeiten auch Forscher in den USA, in Kanada, Frankreich und China an Watt-Waagen. Das Resultat des amerikanischen Experimentes ist bei einer relativen Unsicherheit von 4x10-8 zur Zeit das genauste.
Ein weiterer Ansatz zur Anbindung des Kilogramms an eine Naturkonstante besteht darin, das Kilogramm auf die Masse eines Atoms zurückzuführen. Ein internationales Konsortium von acht nationalen Metrologieinstituten unter der Federführung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, dem deutschen Pendant zum METAS, beschreitet diesen Weg durch die exakte Bestimmung der Avogadro-Konstanten mit Hilfe eines Einkristalls aus angereichertem Silizium 28Si.
Die Forscher haben kürzlich eine Unsicherheit von 3x10-8 in der Bestimmung der Avogadro-Konstante erreicht. Aus diesem Resultat lässt sich auch die Planksche Konstante mit derselben Unsicherheit ableiten. Leider stimmt der so bestimmte Wert nicht mit dem besten Watt-Waagen-Resultat überein. Es sind also weitere Abklärungen notwendig. Erst wenn die verschiedenen Experimente die angestrebte Unsicherheit erreicht haben und untereinander übereinstimmen, wird das Urkilogramm abgelöst werden können.
Bild: Die Watt-Waage des METAS.
Bild: Das Urkilogramm könnte bald abgelöst werden: Schweizer Kopie des Urkilogramms.
Ansprechpartner
Beat Jeckelmann, Leiter der Sektion Elektrizität, 031 32 33 297, beat.jeckelmann@metas.ch.
Ali-Laurent Eichenberger, Projektleiter Watt-Waage, 031 32 33 551, ali.eichenberger@metas.ch.
Bundesamt für Metrologie METAS, Lindenweg 50, 3003 Bern-Wabern
METinfo
Ein Artikel über die Resultate der Watt-Waage findet sich auch in der Ausgabe 1/2011 der Fachzeitschrift für Metrologie METinfo, die soeben erschienen ist. Diese Zeitschrift kann beim Bundesamt für Metrologie (METAS) kostenlos abonniert werden: www.metas.ch/metinfo.
Medieninformation
Urkilogramm, 2400 px
Watt-Waage, 2500 px