Physikalische Maßeinheit: Das Kilogramm hat Übergewicht

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Ein kleiner Metallzylinder in Paris definiert die grundlegende Einheit der Masse. Doch das Urkilogramm und seine Kopien sind inzwischen nicht mehr identisch. Wahrscheinlich nehmen sie alle ein bisschen zu. Forscher wollen die Prototypen mit einer Sonnenbad-Kur wieder auf Idealgewicht bringen.

Urkilo und nationale Prototypen: Definition der Masse Fotos
Newcastle University

Hamburg - Das britische Kilogramm müsste etwas abspecken. Es geht nicht um viel. Nur etwas über 0,00005 Gramm sind es, über die sich Wissenschaftler den Kopf zerbrechen. Es handelt sich um die Differenz zwischen dem in Londons Südwesten gelagerten nationalen Prototypen des Kilos und dem Urkilogramm. Letzteres befindet sich, seit seiner Herstellung 1889 in Paris und liefert bis heute den Maßstab des Kilogramms. Verändert sich dieser kleine Zylinder, verändert sich also auch das Kilogramm.

"Die Masse ist eine derart fundamentale Einheit, dass auch eine sehr kleine Veränderung relevant ist", sagt Peter Cumpson von der Newcastle University. "Es gibt Fälle von internationalem Handel mit sehr teuren Materialien - oder mit Abfall - bei denen es auf jedes Mikrogramm ankommt." Zusammen mit Naoko Sano berichtet Cumpson im Fachmagazin "Metrologia" von einer neuen Reinigungsprozedur, die sinnvoll für die Prototypen sein könnte.

Das aus einer Platin-Iridium-Legierung bestehende Urkilogramm, mehrere in Paris gelagerte Kopien sowie die nationalen Prototypen haben Forscher zuletzt zwischen 1988 und 1992 direkt miteinander verglichen. Weltweit existieren rund 40 Kopien. Zum Teil wich die Masse der Prototypen um mehr als 50 Mikrogramm von der des Originals ab. Das ist durchaus erstaunlich, schließlich werden die knapp vier Zentimeter hohen Zylinder unter gleichen Bedingungen gelagert. Es gab die Vermutung, dass das Urkilogramm schrumpft, etwa durch die Ausdampfung von Wasserstoff.

Das Kilogramm nimmt zu

Cumpson und Sano gehen dagegen davon aus, dass die Kilogramm-Prototypen allesamt etwas zunehmen, wenn auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Bereits vor einigen Jahren wies der Brite nach, dass die Platin-Iridium-Legierung mit Quecksilber kontaminiert werden kann. Mit winzigen Mengen wohlgemerkt, auch der Anteil von Quecksilber in der Luft der entsprechenden Labore ist extrem gering. Zusätzlich scheinen sich kohlenstoffhaltige Verbindungen auf dem Metall abzulagern.

Das Urkilogramm und seine Kopien werden zwar bereits gereinigt, um solche Ablagerungen zu minimieren. Doch die britischen Forscher schlagen dafür nun eine neue Methode vor. Bisher beinhaltet der Putzprozess auch mechanisches Schrubben. Das sei zwar effektiv. Aber jeden der Zylinder in genau gleicher Weise zu polieren, dürfte kaum gelingen. Cumpson und Sano wollen lieber auf eine Reinigung setzen, bei der die Prototypen zuerst in Methanol und dann in Wasser gelegt werden und anschließend bei einer erhöhten Ozon-Konzentration mit UV-Licht bestrahlt. "Im Prinzip verpassen wird den Oberflächen etwas Sonnenbräune", sagt Cumpson.

Die Wissenschaftler haben die Reinigungsprozedur an Platin-Iridium-Legierungen getestet und sind mit dem Ergebnis zufrieden. Einen Nachteil hat das Putzen allerdings: Anschließend legt der Prototyp etwas schneller an Masse zu, berichten die Forscher. Denn auf einer gesäuberten Oberfläche setzen sich verschiedene Moleküle schneller ab, als auf einer, auf der sich bereits kohlenstoffhaltige Verbindungen befinden. Die Forscher konnten das mit Hilfe der sogenannten Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) nachweisen.

Alternative Definitionen

Eine perfekte Lösung ist auch das penibelste Putzen also nicht. Abhilfe kann langfristig nur eine neue Definition der Masse schaffen. Am besten wäre, das Kilogramm über konkrete Messungen festzulegen, wie das bei anderen SI-Einheiten wie der Sekunde und dem Meter schon lange üblich ist. Die Zeiteinheit Sekunde beispielsweise wird über die Periodendauer einer Strahlung von Cäsium-Atomen festgelegt. Mit dieser Vorgabe könnte theoretisch jedes entsprechend ausgestattete Labor auf der Welt die Zeiteinheit Sekunde neu ermitteln.

Beim Kilogramm arbeiten Forscher derzeit parallel an zwei möglichen Neudefinitionen: der Watt-Waage und dem Avogadro-Projekt. Sollte sich die zweite Methode durchsetzen, könnte es bald heißen, dass 21,5 Quadrillionen Silizium-28-Atome ein Kilogramm sind. Aber bis es so weit ist, verändert sich das Kilogramm wohl weiter ein ganz kleines bisschen, wann immer das Urkilo in Paris etwas zu- oder abnimmt.

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insgesamt 95 Beiträge
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1. Oh, oh!
Mimimat 07.01.2013
Zitat von sysopEin kleiner Metallzylinder in Paris definiert die grundlegende Einheit der Masse. Doch das Urkilogramm und seine Kopien sind inzwischen nicht mehr identisch. Wahrscheinlich nehmen sie alle ein bisschen zu. Forscher wollen die Prototypen mit einer Sonnenbad-Kur wieder auf Idealgewicht bringen. Maßeinheit: Neue Putzprozedur für das Urkilogramm - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/masseinheit-neue-putzprozedur-fuer-das-urkilogramm-a-876082.html)
Jetzt geht's los: der gravitative Hintergrund ändert sich.
2.
wosenjohn 07.01.2013
Zitat von MimimatJetzt geht's los: der gravitative Hintergrund ändert sich.
Danke, der war jetzt unbedingt nötig :D YMMD Aber um beim Artikel zu bleiben, was ist so schlimm wenn das Britische Kilo falsch ist, die haben ja eh Pfund!
3. Umrechnen
ellereller 07.01.2013
Heute hat die Londoner Kilo-Kopie etwa "etwas über 0,00005 Gramm" mehr Masse als das Pariser Urkilo. Der zwischen 1988 und 1992 vorgenommene Vergleich ergab Spitzen-Differenzen von "mehr als 50 Mikrogramm". Für alle Leser, die keine Lust zum Nullen-Zählen haben, oder nicht auswendig die Definition eines Mikrogramms kennen, wäre die Information hilfreich gewesen, dass 0,00005 Gramm exakt 50 Mikrogramm sind. Oder hätte das zu deutlich werden lassen, dass die Spitzenmeldung im Ressort Wissenschaft einem Umstand gewidmet ist, der aufs Mikrogramm genau so seit 25 Jahren bekannt ist?
4.
neu_ab 07.01.2013
Zitat von MimimatJetzt geht's los: der gravitative Hintergrund ändert sich.
Das sind bestimmt die Mini-Schwarzen-Löcher vom LHC, die langsam erwachen!
5. optional
olba 07.01.2013
0,00005 Gramm sind NICHT 50 Mikrogramm 0,00005 KiloGramm sind 50 Mikrogramm 0,00005 Gramm sind 5 Femtogramm
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