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In diesem Jahr gibt es ein neues Kilogramm

Das Urkilogramm liegt unter Glasglocken und trotzdem verliert es an Masse. Selbst für Physiker ist das ein Rätsel.

Sämtliche Waagen sind auf ein Urkilogramm geeicht.  SN/fotolia
Sämtliche Waagen sind auf ein Urkilogramm geeicht.

Das alte Kilo ist in die Jahre gekommen, und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Seit 1889 liegt das weltweite Referenzmaß für das Kilogramm (Internationaler Kilogramm-Prototyp) in Form eines kleinen Zylinders aus einer Platin-Iridium-Legierung gut geschützt unter drei Glasglocken im Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) im Pariser Vorort Sèvres. Sämtliche Waagen auf dem gesamten Globus sind über Umwege auf dieses eine exemplarische Kilogramm geeicht und so lautet die aktuelle Definition des Kilogramms auch nicht wenig überraschend: "Das Kilogramm ist gleich der Masse des Internationalen Kilogramm-Prototyps."

Allerdings gibt es da ein Problem: Das schöne Referenz-Kilogramm leidet sehr wahrscheinlich unter Schwindsucht. "Im Vergleich mit anderen identischen Prototypen, die zur selben Zeit mit der gleichen Masse hergestellt und poliert wurden", meint Ian Mills, Präsident des Beratenden Komitees für Einheiten am BIPM, "betragen die Abweichungen in den letzten 100 Jahren ganze 50 Mikrogramm, vielleicht sogar 100 Mikrogramm." Ganz exakt können die Experten das nicht einmal sagen, denn rein theoretisch könnte es ja auch sein, dass mit dem Urkilogramm alles in Ordnung ist, und Dutzende von Kopien auf der ganzen Welt allesamt zugenommen haben - auch wenn das eher unwahrscheinlich ist.

Damit aber nicht genug: Keiner weiß, warum das Urkilogramm abweicht, niemand kennt die Ursache, auch die Physiker vom BIPM nicht. Vielleicht wurden im Laufe der Jahre beim Reinigen immer mal wieder ein paar Mikrogramm abgeputzt, wer weiß? Aber auch das ist Fachleuten zufolge eher unwahrscheinlich. Das eigentliche Problem ist nun ein paradoxes: Das Urkilogramm wiegt per Definition immer exakt ein Kilogramm - egal wie schwer es ist. In unserer heutigen Hightech-Welt geht so etwas natürlich gar nicht.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Kilogramm dann auch die einzige Basiseinheit, die heute noch über einen konkreten Vergleichsgegenstand (Prototyp) dargestellt wird. Und genau das ist das Problem - da sind sich die Experten einig. Nicht auszudenken, das schöne Referenzmaß könnte verloren gehen oder fiele beim Reinigen einfach mal zu Boden. Ähnliche Probleme gab es früher übrigens auch schon beim Urmeter, das ebenfalls ein ganz konkreter Vergleichsgegenstand war, nämlich ein Platin-Iridium-Stab, der im Tresor des BIPM lagerte und ebenfalls durch versehentliches Fallenlassen nicht besser geworden wäre.

Aus diesen und anderen Gründen wurde das Urmeter dann auch schon vor Jahren neu definiert, und zwar so, dass Putzen oder Fallenlassen ihm nichts anhaben können.

Für diesen Zweck bieten sich unveränderliche Naturkonstanten besonders an, eben weil sie unveränderlich sind, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum etwa, die Avogadro-Konstante oder auch das Plancksche Wirkungsquantum. Beim Meter entschieden sich die Experten für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und somit ist das Meter heute definiert als "die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunden durchläuft". Ähnliches haben die Forscher nun auch mit dem Kilogramm vor. Der Teufel steckt aber wie so oft auch hier wieder einmal im Detail, denn ganz so einfach ist die Sache nicht. Nur zwei Projekte haben sich in dem gesteckten Zeitrahmen (bis zum Stichtag 1. Juli 2017) mit der geforderten Genauigkeit als erfolgreich erwiesen: das sogenannte Avogadro-Projekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) und ihrer Partner sowie die Watt-Waagen-Experimente internationaler Forscher. Auch wenn es sich vielleicht so anhören mag, mit tropischen Südfrüchten hat das Avogadro-Projekt rein gar nichts zu tun.

Hierbei zählen die Forscher nämlich vielmehr, wie viele Atome eines bestimmten Isotops (Silizium-28) exakt ein Kilogramm ergeben. Dazu bestimmen die Wissenschafter mithilfe von höchstpräzisen Messinstrumenten, wie viele Atome in einer perfekten Silizium-Kugel enthalten sind - und zwar nicht nur so ungefähr, sondern mit einer Genauigkeit von zwei mal zehn hoch minus acht. Mit anderen Worten: Die Experten dürfen sich maximal um zwei Atome pro einhundert Millionen verzählen. "Der eigentliche Punkt ist dabei", sagt Jens Simon von der PTB, "dass ein Brückenschlag gelingt zwischen einer großen makroskopischen Masse - also etwas, was man auf eine Waage legen kann, und dem Mikrokosmos der Atome - wobei jedes Atom eine unveränderliche Masse hat."

Die Verbindung zwischen Atomwelt und Makrokosmos schafft nun die sogenannte Avogadro-Konstante (festgelegt als 6,02214076 mal zehn hoch 23), weil sie angibt, wie viele Atome in einem Mol enthalten sind. Mit anderen Worten: "Wenn man ganz reines Silizium der Sorte Si-28 nimmt (wie es in den Silizium-Kugeln der PTB steckt), dann bringt eben diese Anzahl an Si-28-Atomen 28 Gramm auf die Waage", sagt Simon. Außer dem Avogadro-Projekt waren auch die Watt-Waagen-Experimente internationaler Forscher erfolgreich, sodass auch deren Ergebnisse für die künftige Neudefinition des Kilogramms zur Verfügung stehen, die voraussichtlich auf der nächsten Internationalen Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Versailles im Herbst 2018 offiziell verabschiedet wird.

Vereinfacht gesagt wird bei der Watt-Waage ein Kilogramm mittels einer elektromagnetischen Kraft sozusagen aufgewogen. Die dafür notwendige elektrische Leistung (in Watt, daher der Name) lässt sich präzise messen. Nun kann das Kilogramm bei festgelegtem Wert des Planckschen Wirkungsquantums (festgelegt als 6,62607015 mal zehn hoch minus 34) definiert werden. Das Ganze hört sich übrigens einfacher an, als es ist.

Quelle: SN

Aufgerufen am 18.09.2018 um 05:02 auf https://www.sn.at/panorama/wissen/in-diesem-jahr-gibt-es-ein-neues-kilogramm-24685702

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