Meilenstein auf dem Weg zum neuen Kilo erreicht
Wissenschaftlern ist es gelungen, die Anzahl von Atomen in einem Siliziumkristall mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen und sind dadurch der Neudefinition des Kilogramms (kg) auf der Grundlage von physikalischen Konstanten einen großen Schritt näher gekommen. Die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit wurde teilweise von der EU durch das Projekt IMERA Plus ("Implementing metrology in the European research area - plus") unterstützt. Im Rahmen von IMERA Plus, das 21 Mio. EUR aus der Haushaltslinie für "Koordinierung von Forschungsaktivitäten" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) erhalten hat, kommen nationale Metrologie-Forschungsinstitute aus ganz Europa zusammen, um grundlegende Fragen wie die Definition des Kilogramms anzugehen. Heute basieren die meisten Messungen auf festen physikalischen Konstanten. Zum Beispiel definiert das Internationale Büro für Maß und Gewicht (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) einen Meter als "die Strecke, die Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt", während eine Sekunde definiert ist als "das das 9.192.631.770-Fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Caesium 133-Atomen entsprechenden Strahlung". Nur ein Maß hat sich einer solchen Definition entzogen: das Kilogramm, das vom BIPM immer noch als "gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps" definiert ist. Der internationale Kilogrammprototyp ist ein Block aus einer Platin-Iridium-Legierung (Pt-Ir), das vom BIPM in Paris, Frankreich, aufbewahrt wird. Doch trotz der Tatsache, dass er in sorgfältig kontrollierten Bedingungen aufbewahrt wird, ist das offizielle Gewicht des Kilogramms nicht konstant; Wissenschaftler schätzen, dass es sich im Laufe des letzten Jahrhunderts um rund 50 Mikrogramm verändert hat. Aus dem Grund ist man auf der Suche nach einer klaren, konstanten Definition für das Kilogramm. Seit 2003 arbeitet man im internationalen Avogadro-Projekt, das von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland koordiniert wird, an einer Neudefinition des Kilogramms auf Basis der Avogadro-Konstanten. Bezüglich eines Elements bezeichnet die Avogadro-Konstante die Anzahl von Atomen in einer bestimmten Menge von Material (Teilchenzahl pro Stoffmenge), deren Masse in Gramm dem Atomgewicht des Elements entspricht. Somit stellt die Avogadro-Konstante eine "Verbindung zwischen den atomaren und den makroskopischen Eigenschaften von Materie her", schreiben die Forscher. In dieser Studie wollte ein internationales Forscherteam die Zahl der Atome in einem 1 kg schweren Einkristall aus Silizium messen. Dem Team zufolge hat man sich für Silizium entschieden, weil es zu sehr reinen, großen und fast perfekten Kristallen wachsen kann. Das große Ziel des Avogadro-Projekts bestand darin, die Avogadro-Konstante in einem solchen Kristall mit einer Messunsicherheit von lediglich 2 mal 10 hoch -8 zu messen. Dabei baute man auf dem Fachwissen von Metrologieinstituten aus der ganzen Welt auf. Die Forscher verwendeten zwei in Australien polierte Kugeln, überprüften die Kristallperfektion und schätzten dann den Einfluss der Kristallbaufehler ein. Dann wurde am italienischen Metrologieinstitut (INRIM) mittels eines Röntgeninterferometers der Gitterparameter bestimmt und durch Vergleichsmessungen mit einem natürlichen Siliziumkristall am amerikanischen NIST (National Institute of Standards and Technology) bestätigt. Die Massen der beiden Siliziumkugeln wurden am BIPM, in der PTB und am japanischen staatlichen Metrologieinstitut NMIJ mit der Masse von Kilogramm-Standards verglichen. Die Siliziumdioxidoberflächen der Kugeln wurden in einer Reihe von Tests analysiert, unter anderem mit Röntgenstrahlung und Synchrotronstrahlung. Die Kontamination der Kugeloberflächen mit Kupfer- und Nickelsiliziden wurde ebenfalls gemessen und ihr Einfluss auf die Ergebnisse von Kugelvolumen und -masse abgeschätzt. Schließlich bestimmte das Team in der PTB mittels einer neuen massenspektrometrischen Methode die molare Masse der Kugeln. Die Bemühungen der Forscher ermöglichten es, die Zahl der Atome in den Proben mit einer Messunsicherheit von nur 3 x 10 hoch -8 zu bestimmen. "Der erhaltene Wert ... ist die genaueste Referenz für eine Neudefinition des Kilogramms", schreiben die Forscher. In einer PTB-Pressemitteilung heißt es: "Das Ergebnis ist ein Meilenstein auf dem Weg zu einer erfolgreichen Darstellung der neuen Kilogrammdefinition auf der Basis einer in ihrem Wert festgelegten Fundamentalkonstanten." Die Forscher betonen allerdings, dass ihre Definition noch immer nicht genau genug ist, um das Ur-Kilogramm in Paris zu ersetzen; dafür müssten sie die vom Beratenden Komitee für die Masse (CCM) verlangte Messunsicherheit von 2 mal 10 hoch -8 erreichen. Allerdings scheinen die Tage des Pariser Metallblocks als Kilogrammdefinition gezählt zu sein. Das Fazit der Forscher lautet: "Die Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Darstellungen ist noch nicht gut genug, um den Pt-Ir-Kilogrammprototypen in den Ruhestand zu schicken. Aber in Anbetracht der bereits entwickelten Fähigkeiten und den geplanten Verbesserungen scheint es realistisch, dass die angezielte Messunsicherheit in absehbarer Zukunft erreicht werden kann."Weitere Informationen unter: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB): http://www.ptb.de Physical Review Letters: http://prl.aps.org/ European Association of National Metrology Institutes (EURAMET): http://www.euramet.org/ International Bureau of Weights and Measures (BIPM): http://www.bipm.org
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