28.01.2011

Das `neue` Kilogramm

Avogadro-Konstante durch Zählen der Atome in einem 28Si–Kistall bestimmt.

Avogadro-Konstante durch Zählen der Atome in einem 28Si–Kistall bestimmt.

Mithilfe eines Einkristalls aus hochangereichertem 28Si ist die Avogadro-Konstante mit einer relativen Gesamtmessunsicherheit von 3 x 10–8 so genau wie nie zuvor gemessen worden. Im Rahmen der Kilogramm-Neudefinition ermöglicht der Wert NA =6,02214078(18) x 1023 mol–1 die zurzeit genaueste Realisierung dieser Einheit.

Abb.: In der hochreinen Silicium-Kugel des Avogadro-Experiments spiegelt sich eine Kopie des internationalen Kilogramm-Prototyps. Die neue Kugel definiert das Kilogramm nicht mehr über einen physischen Körper, sondern auf der Grundlage von atomaren Eigenschaften. (Bild: PTB )

Die Ergebnisse stehen im Kontexte des von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) koordinierten internationalen Avogadro-Projekts, das 2003 begann. Damals begannen mehrere nationale Metrologieinstitute zusammen mit dem Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Kooperation mit russischen Forschungsinstituten, etwa 5 kg hochangereichertes 28Si (99,99 %) als Einkristall herstellen zu lassen, die Avogadro-Konstante damit zu messen und bis zum Jahr 2010 eine Messunsicherheit von ca. 2 x 10–8 zu erreichen. Inzwischen sind erste Messungen an den zwei in Australien polierten 1 kg-Kugeln aus 28Si abgeschlossen und ihre Dichte, Gitterparameter und Oberflächenbeschaffenheit bestimmt worden.

Nach Prüfung der Kristallperfektion wurde der Einfluss der Kristallbaufehler abgeschätzt. Dann wurde am italienischen Metrologieinstitut (INRIM) mittels eines Röntgeninterferometers der Gitterparameter bestimmt und durch Vergleichsmessungen mit einem natürlichen Si-Kristall am amerikanischen NIST bestätigt. Die Massen der beiden Siliciumkugeln wurden am BIPM, am NMIJ (Japan) und in der PTB im Vakuum an die internationalen Massenormale angeschlossen. Das Kugelvolumen wurde optisch mit Interferometern unterschiedlicher Strahlgeometrien in den entsprechenden Arbeitsgruppen von NMIJ, NMI-A (Australien) und PTB mit exzellenter Übereinstimmung gemessen. Die Oberflächenschicht (im Wesentlichen bestehend aus Siliciumdioxid) wurde mit Elektronenen-, Röntgen- und Synchrotronstrahlung nach unterschiedlichen Verfahren spektroskopiert, analysiert und bei der Bestimmung der Siliciumdichte berücksichtigt. Die beim Polierprozess entstandene unerwartet hohe metallische Kontamination der Kugeloberflächen mit Kupfer- und Nickelsiliciden wurde gemessen und ihr Einfluss auf die Ergebnisse von Kugelvolumen und -masse abgeschätzt, was zu einer höheren Messunsicherheit führte. Die molare Masse wurde mit einer neuen massenspektrometrischen Methode bestimmt.

So konnte die Kilogrammdefinition auf der Basis einer in ihrem Wert festgelegten Fundamentalkonstanten dargestellt werden. Mit verbesserten Kugelinterferometern an kontaminationsfreien Kugeln soll in naher Zukunft die anvisierte Messunsicherheit von 2 x 10–8 erreicht und voraussichtlich sogar unterschritten werden.

PTB / MH


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