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Physikalische Einheit: Kristallkugel soll Urkilogramm ersetzen

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Kilogramm: Die Neudefinition der Masse Fotos
PTB

Was genau ist ein Kilogramm? Physiker aus Braunschweig suchen mit einer silbernen Siliziumkugel nach einer neuen, präzisen Antwort. Sie soll das in Paris gelagerte Urkilogramm überflüssig machen.

Ein neues Rezept für das Kilogramm - das ist das Ziel eines Experiments an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB). Horst Bettin und seine Kollegen wollen zwei Kugeln aus einem hochreinen Siliziumkristall herstellen und anschließend zählen, aus wie vielen Atomen die Kugeln bestehen.

Ihr Ziel ist eine Neudefinition der Einheit Kilogramm. Nicht wie bisher über das in Paris gelagerte Urkilogramm und seine über Messinstitute weltweit verteilten Kopien. Denn diese könnten beschädigt werden oder verloren gehen. Sorgen bereitet Physikern auch das rätselhafte Schrumpfen des Urkilogramms, womöglich hervorgerufen durch die Reinigungsprozedur. Was ein Kilogramm ist, soll deshalb künftig durch ein Experiment festgelegt werden, das entsprechend ausgerüstete Institute jederzeit durchführen können.

Vorbild ist die SI-Einheit Sekunde. Keine Frage: Wenn sämtliche Uhren auf der Erde plötzlich verschwunden wären, gäbe es ein großes Durcheinander auf Flughäfen und Bahnhöfen. Fahrpläne wären Makulatur. Niemand könnte mehr sagen, wie lang eine Stunde, eine Minute oder eine Sekunde ist.

Aber das Chaos würde nur für kurze Zeit bestehen. Denn die SI-Einheit Sekunde ist definiert als die Zeitspanne, in der die Strahlung eines angeregten Cäsium-Atoms 9.192.631.770-mal schwingt. Der Apparat, in dem dies geschieht, heißt Atomuhr. Man baut eine solche Atomuhr - und das Problem der Zeitmessung ist gelöst.

Produziert mit russischen Zentrifugen

Eine ähnliche Möglichkeit soll nun auch für das Kilogramm geschaffen werden. Bettins Team hat gerade einen hochreinen Siliziumkristall bekommen, aus dem die Physiker zwei silberne Kugeln schneiden und polieren wollen, die etwa ein Kilogramm schwer sind. Das Kristall besteht zu 99,998 Prozent aus Silizium-28-Atomen, einem bestimmten Isotop. Monatelang waren Tausende Zentrifugen in Russland in Betrieb, um diese Reinheit hinzubekommen.

Sind aus dem Kristall die beiden Kugeln herausgeschnitten, beginnt die eigentliche Arbeit: Die Physiker müssen herausfinden, aus wie vielen Atomen die Kugeln aufgebaut sind. Bisher kennen sie nur einen ungefähren Wert: In einer ein Kilogramm schweren Kugel stecken rund 2,5*1025 Atome.

"Würden wir die Atome tatsächlich zählen, würde das Jahrhunderte dauern", meint Bettin. "Wir ermitteln die Zahl deshalb indirekt - über den Abstand der Atomebenen im Kristall und das Volumen der Kugel." Ziel ist, sich bei hundert Millionen Atomen nur um höchstens eins zu verzählen. Letztlich bestimmen die Braunschweiger Forscher bei ihrem Experiment die sogenannte Avogadro-Konstante, die angibt, wie viele Teilchen der Menge von einem Mol entsprechen.

Planck-Konstante als Maß aller Dinge

Es ist nicht die erste derartige Atomzählung bei einer Siliziumkugel. Mit den ersten beiden Kugeln wird bereits seit 2008 geforscht. Doch damals wurden sie nicht in Braunschweig, sondern teils auch in Australien gefertigt. "Wir möchten die Kugeln jetzt komplett selbst herstellen und so zeigen, dass das im Prinzip jedes entsprechend ausgestattete Labor hinbekommt", erklärt Bettin.

Die Braunschweiger Siliziumkugeln werden in der geplanten Neudefinition des Kilogramms trotzdem nicht auftauchen. Die Sache ist etwas komplizierter. Mit dem Experiment wollen die Physiker die Avogadro-Konstante und die mit ihr verbundene Planck-Konstante so genau wie möglich bestimmen. Und letztlich wird der so ermittelte Wert der Planck-Konstante dann festlegen, was ein Kilogramm ist. Die Maßeinheit des Masse wäre dann über eine Naturkonstante definiert.

Das klingt umständlich - der vermeintliche Umweg über die Planck-Konstante hat aber einen Vorzug: Es gibt nicht nur ein Experiment, mit dem man ein Kilogramm bestimmen kann. Neben dem Siliziumkristall arbeiten Forscher weltweit an einer Alternative - der sogenannten Wattwaage. Auch mit dieser ließe sich das Kilogramm ableiten, wenn die Planck-Konstante einmal präzise bestimmt ist.

Für das Kilogramm gäbe es dann quasi zwei verschiedene Atomuhren. Welche man baut, ist egal, denn beide Experimente führen zum gleichen Ergebnis.

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insgesamt 119 Beiträge
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1. Verdammt!!
Holledauer 26.03.2015
Wir brauchen eine neue Küchenwaage!
2. Arbeitsbeschaffungsmassnahme?
NewYork76 26.03.2015
Also ich bin ja normalerweise nicht jemand, der Investitionen in Wissenschaft und Forschung (einschliesslich Grundlagenforschung) kritisiert. Aber das liesst sich fuer mich (als Laien) dann doch eher als Arbeitsbeschaffungsmassnahme und Ressourcen-Verschwendung. Ein Kilogram ist eine definierte Masseinheit. Wieviele Atome nun exakt in einer 1 kg Silizium Kristallkugel sind, das ist doch so ziemlich egal. Man kann den Wert doch einfach entsprechen annaehern und dann das Kilogram entsprechen definieren. Insbesondere da das Urkilogramm ja wohl offenbar auch schon Abweichungen von der Definition zeigt.
3. Herkunft des Siliziumkristalls
auweia 26.03.2015
Der Autor hätte durchaus die Beteiligung des Leibniz-Instituts für Kristallzucht (IKZ) in Berlin erwähnen können. Dort wurde das hochreine Silizium aus Russland in eine berarbeitbare Form gebracht.
4.
MrSnoot 26.03.2015
---Zitat--- Das Kristall besteht zu 99,998 Prozent aus Silizium-28-Atomen, einem bestimmten Isotop. Monatelang waren Tausende Zentrifugen in Russland in Betrieb, um diese Reinheit hinzubekommen. ---Zitatende--- Wieso dauert das solange? Silizium für die Halbleiterfertigung hat eine Reinheit von 99,9999999 % (1 Fremdatom pro 1 Mrd. Siliziumatome) und die Herstellung geht relativ schnell.
5.
jörg69 26.03.2015
Vielleicht ist es wegen des Pariser Ur-Kilos ja physikhistorischer Unfug, aber sprachlich gesehen ist das Kilogramm doch nur das tausendfache von etwas - nämlich des Gramms. Warum also betrachtet man nicht das Gramm als Muttergewicht? Das Atomezählen würde dann auch tausendmal schneller gehen :-)
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