Elektronisches Kilogramm

Die Watt-Waage ist ein experimenteller Aufbau einer Waage, der zukünftig für die Definition des Kilogramm verwendet werden könnte. Man spricht dabei auch vom elektronischen Kilogramm.

Hintergrund

Die SI-Basiseinheit für die Masse ist das Kilogramm. Das Kilogramm wird seit 1899 über die Masse des Urkilogramms definiert. Dies ist ein, in Paris aufbewahrter, Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung. Dadurch ist das Kilogramm die einzige Basiseinheit, die nicht mit Hilfe einer definierten Messung in einem Labor bestimmt werden kann. Des Weiteren würden Änderungen der Masse des Urkilogramms, beispielsweise durch falsche Handhabung, bewirken, dass die Masse keine konstante, sondern eine veränderliche Größe wäre. Bei einigen Messungen in der Vergangenheit wurde festgestellt, dass die Massen der Duplikate des Urkilogramms im Vergleich zum Urkilogramm um etwa 50 µg zugenommen haben.^[1] Seit Jahren schon bemühen sich Physiker deshalb, eine im Labor reproduzierbare Definition für das Kilogramm aufzustellen. Die dabei angestrebte Genauigkeit liegt bei < 10^-8, das heißt besser als 10 µg.

Geschichte und Messprinzip

Die Watt-Waage am NIST

Die erste Watt-Waage wurde in den 1970er Jahren am National Physical Laboratory (NPL) in Teddington bei London entwickelt. Sie ist eine Weiterentwicklung der von Lord Kelvin entwickelten Spannungswaage^[2]. Eine Masse wird dabei auf einem Arm einer hochauflösenden Waage mit Hilfe einer elektromagnetischen Gegenkraft ins Gleichgewicht gebracht. Die dabei zu Kompensation notwendige elektrische Leistung (in Watt) errechnet sich aus dem Produkt von Spannung und Stromstärke. Daher leitet sich auch der Name Watt-Waage ab. Die elektrische Leistung kann sehr genau vermessen werden, wenn das plancksche Wirkungsquantum, eine sehr genau bestimmbare Naturkonstante (6,62606901 × 10^-34 Js^[3]), mit in die Rechnung einfließt. Mit der Waage könnte das Kilogramm dann als die Masse definiert werden, die auf der Watt-Waage für die plancksche Konstante den richtigen Wert anzeigt.^[4] Die Messung findet in einem sehr komplexen Aufbau im Hochvakuum statt. Störende Magnetfelder müssen auch auf größere Entfernungen ausgeschlossen werden.

Es werden verschiedene Legierungen, beispielsweise eine Gold-Platin-Legierung, diskutiert, um als Masse-Standard in der Watt-Waage verwendet zu werden. Die magnetische Suszeptibilität, das heißt die Magnetisierbarkeit, muss dabei so gering wie möglich sein.^[5]

Konkurrierende Verfahren

Außer an der Watt-Waage wird an weiteren Verfahren gearbeitet, mit denen das Kilogramm neu definiert werden kann. Neben der Watt-Waage ist dabei das Avogadro-Projekt am aussichtsreichsten.

Das Avogadro-Projekt

In diesem Projekt soll das Kilogramm als Vielfaches der Masse von Siliziumatomen definiert werden. Es sollen dabei die Atome in einem hochreinen Siliziumkristall gezählt werden. Mittels Interferometrie wird dabei zuerst das Volumen einer ein Kilogramm schweren Siliziumkugel bestimmt. Anschließend wird mittels Röntgenbeugung die Anzahl an Siliziumatomen in einem kleinen Bereich des Kristalls ermittelt. Danach wird auf die gesamte Kugel die Anzahl der Atome hochgerechnet. Aus ihrer Zahl, der Masse und dem Volumen der Kugel wird dann das Kilogramm definiert.^[6]

Einzelnachweise

1. ↑ Darnbeck H, Das rätselhafte Schrumpfen des Urkilogramms, in Der Spiegel, vom 13. September 2007
2. ↑ Raith W, Elektromagnetismus, Verlag Walter de Gruyter, 1999, S.77. ISBN 3-110-16097-8
3. ↑ NIST Improves Accuracy of ‘Watt Balance’ Method for Defining the Kilogram, 13. September 2005
4. ↑ Matthews R, Dem Kilo schlägt die Stunde, in Neue Zürcher Zeitung Folio, 02/05
5. ↑ Silvestri Z et. al.Volume magnetic susceptibility of gold–platinum alloys: possible materials to make mass standards for the watt balance experiment., in Metrologia, 40/2003, S.172-6.
6. ↑ Spektrumdirekt, Wettrennen um das Kilogramm, vom 21. September 2001

Literatur

• Steiner R et.al., Towards an electronic kilogram: an improved measurement of the Planck constant and electron mass., in Metrologia., 42/2005, S.431–41.
• Robinson IA et.al., An initial measurement of Planck's constant using the NPL Mark II watt balance, in Metrologia, 44/2007, S.427–40
• Pinot P et.al., Theoretical analysis for the design of the French watt balance experiment force comparator., in Rev Sci Instrum., 78/2007, PMID 17902975

Weblinks

• Die Watt-Waage am Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)
• Die Watt-Waage am NIST
• Schematische Darstellung einer Watt-Waage
• Uni Mainz, Physik Grundkurs II Elektrodynamik und Optik mit Experimenten, Das Prinzip der Spannungswaage, S.8–9