Wettlauf um das Kilogramm
Verschiedene Methoden der Massenbestimmung
Physikalisch Technische Bundesanstalt
Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung
National Institute of Standards and Technology
Forscher in aller Welt suchen fieberhaft nach einer neuen Definition für das Kilogramm, die sich in jedem beliebigen Labor reproduzieren lässt. Denn bisher ist die Grundlage für alle Massenbestimmungen auf der Welt das Urkilogramm. Diese Kopplung an einen materiellen Körper birgt einige Probleme: Das Urkilogramm könnte gestohlen oder auch beschädigt werden. Dem deutschen Kilogrammprototypen ist das während des zweiten Weltkriegs tatsächlich passiert. Das ist beim Urkilogramm zwar nicht wahrscheinlich, aber die Abhängigkeit von einem materiellen Prototypen ist im dritten Jahrtausend nicht mehr zeitgemäß. Jetzt stehen sie kurz vor dem Ziel.
Foto Die Einheit Kilogramm ist schon seit 1889 im internationalen Einheitensystem festgelegt. Damals hat die Generalkonferenz der Meterkonvention beschlossen, dem Kilogramm einen Zylinder aus Platin und Iridium zugrunde zu legen: das "Urkilogramm" oder auch "internationaler Kilogrammprototyp". Die Länder, die der Meterkonvention angehören, besitzen eigene, baugleiche Kilogrammprototypen. Deutschland hat die Nummer 52. Ein weiterer Grund für eine Neudefinition besteht darin, dass Wissenschaftler die Vermutung haben, dass sich der internationale Prototyp im Laufe der Zeit verändert.
Das wurde durch Vergleiche zwischen dem internationalen Prototyp und den nationalen Prototypen festgestellt. Dabei hat sich gezeigt, dass im Lauf von 100 Jahren im Mittel die nationalen Prototypen scheinbar schwerer werden. Dabei kann man sich natürlich fragen, ob das wirklich so ist oder ob sich auch der internationale Prototyp geändert hat und vielleicht leichter geworden ist. Diese Frage kann erst geklärt werden, wenn es ein unabhängiges Experiment gibt, mit dem man die Stabilität dieses Prototyps überprüfen kann.
Foto An zwei Experimenten arbeitet die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Im Avogadro-Experiment wollen Wissenschaftler das Kilogramm auf die Masse von Siliziumatomen zurückführen. In ihrem Experiment untersuchen die Forscher schwere, extrem ebenmäßige Silizium-Kugeln mit der Masse von exakt einem Kilogramm. Zunächst bestimmen die Wissenschaftler das Volumen der überaus reinen Kugeln. Mit Hilfe von Röntgenlicht zählen sie die Atome in einem kleinen Ausschnitt der Kugel. Die Abstände zwischen den einzelnen Atomen sind überall in der Kugel absolut identisch, daher kann man aus dem kleinen Abschnitt die Zahl der Siliziumatome der gesamten Kugel berechnen. Im Ergebnis kennen die Forscher jetzt die genaue Anzahl von Siliziumatomen, die einem Kilogramm entsprechen.
In einem weiteren Projekt will das Ionenakkumulations-Experiment das Kilogramm als bestimmte Anzahl von Goldatomen definieren. In einer komplexen Apparatur treffen Goldionen auf einen Schwingquarz. Während des Versuchs messen die Forscher den Strom, den die geladenen Goldteilchen erzeugen und der Schwingquarz gibt Aufschluss über die Masse der auftreffenden Goldatome. Nun gilt es "nur" noch, die Anzahl der Atome zu bestimmen. Dazu benötigen die Wissenschaftler lediglich Formelsammlung sowie Taschenrechner - und die Kilogrammdefinition ist erstellt.
Foto Zwei weitere Experimente in Japan und den Vereinigten Staaten drehen sich um die Neudefinition des Kilogramms. Das amerikanische Pendant zur PTB betreibt die "Watt-Waage". Dieses Projekt will das Kilogramm auf Fundamentalkonstanten der Physik zurückführen. Das gleiche Ziel verfolgen japanische Wissenschaftler mit einem anderen Experiment - dem magnetischen Schwebeexperiment. Die Wissenschaft steht schon kurz vor einem Ersatz für das Urkilogramm. Doch bis die Meterkonvention sich entscheidet, diese Neudefinition in das internationale Einheitensystem zu übernehmen, werden noch rund zehn Jahre vergehen. Bis dahin heißt es: Weiter gut aufpassen auf das Kilogramm.

06.12.2001
nano onlinemh