Maßeinheiten: Ersetzt die Watt-Waage das Urkilogramm von 1889?

Von Holger Dambeck

Eine komplizierte technische Apparatur könnte das Urkilogramm ersetzen, das seit 1889 in Paris aufbewahrt wird. Parallel dazu versuchen Physiker auch, das Kilogramm über die Masse von Atomen neu zu definieren.

Watt-Waage im NIST-Labor: Kilogramm aus Naturkonstante ableiten
Robert Rathe

Watt-Waage im NIST-Labor: Kilogramm aus Naturkonstante ableiten

Das Kilogramm bereitet Physikern Kopfzerbrechen - und zwar schon seit Jahrzehnten. Von den sieben Basiseinheiten des Système International d'Unités, kurz SI-System, ist das Kilogramm die einzige Größe, die nicht mit einer definierten Messung in einem Labor bestimmt werden kann. Eine Sekunde beispielsweise ist als Vielfaches der Periodendauer einer bestimmten Strahlung definiert, ein Meter als Strecke, die Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Einzig für das Kilogramm existiert noch kein derartiges "natürliches" Verfahren.

Das 1889 hergestellte und seitdem in Paris aufbewahrte Urkilogramm dient bis heute als Referenz. Es besteht aus einer Platin-Iridium-Legierung. In den neunziger Jahren stellten Wissenschaftler mit Erschrecken fest, dass Kopien des Urkilogramms im Laufe der Jahre scheinbar schwerer geworden waren als das Original. Möglicherweise, so eine Erklärung, hatte man das Urkilogramm schlicht zu häufig geputzt.

Als Alternative zum Pariser Metallblock arbeiten Physiker an einer sogenannten Watt-Waage, so auch am Berner Bundesamt für Metrologie, der Schweizer Oberaufsicht für Maßeinheiten. Forscher vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) melden jetzt einen Durchbruch beim Urkilo-Ersatz. Eine neue Messung habe die Genauigkeit des Verfahrens bestätigt, hieß es.

Man habe eine Messung aus dem Jahr 1998 wiederholt, dabei jedoch die Messungenauigkeiten um 40 Prozent verringert. "Die Tatsache, dass wir die gleichen Werte herausbekommen haben, macht uns ziemlich sicher, dass unsere Genauigkeitsangaben vermutlich stimmen", sagte NIST-Forscher Richard Steiner.

Bei der Watt-Waage wird das Kilogramm aus einer anderen Naturkonstanten, dem Planckschen Wirkungsquantum, über einen präzisen Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung hergeleitet. Mit einer Waage wird die Gewichtskraft einer Masse im Gravitationsfeld der Erde mit einer elektromagnetischen Kraft verglichen, die elektrischer Strom in einer Spule erzeugt.

Atome oder Ionen zählen

Prinzip der Watt-Waage: Präziser Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung

Prinzip der Watt-Waage: Präziser Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung

Ob die Watt-Waage tatsächlich das Urkilogramm beerbt, müsste das International Committee for Weights and Measures (CIPM) entscheiden. Ein Beschluss wäre auf einer im Oktober 2007 geplanten Konferenz möglich.

Die Watt-Waage ist jedoch nicht der einzige Weg zum Ablösen des Urkilogramms. Auch die Zählung von Siliziumatomen, an der Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) arbeiten, käme in Frage. Ein Kilogramm entspräche dann einer bestimmten Anzahl von Atomen.

"Wir brauchen etwa noch zwei Jahre, bis das Verfahren steht", sagte der PTB-Forscher Peter Becker im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Beckers Team will das Volumen eines Atoms bestimmen und daraus berechnen, wieviele Siliziumatome in einem Kilogramm Silizium-Kristall stecken. Schwierigkeiten bereitet dabei die Tatsache, das es drei verschiedene Siliziumisotope gibt (Si-28, -29, -30), deren Atommasse sich entsprechend unterscheidet. In Russland lässt die PTB derzeit Kristalle aus hochreinem Si-28 herstellen.

Daneben gibt es noch das Prinzip der Ionen-Zählung. Sich bewegende Ionen bilden einen Strom, der gemessen werden kann und Rückschlüsse auf die Zahl der Ionen erlaubt. Mit einem Kollektor werden die Ionen aufgefangen - und bilden eine definierte Masse.

Der Braunschweiger Forscher Becker gibt der Watt-Waage und der Atomzahlbestimmung die größten Chancen. Beide Methoden seien ähnlich genau. Die Präzision der Ionenzählung sei hingegen zum jetzigen Zeitpunkt deutlich geringer.

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