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Avogadro und Watt-Waage statt Urkilo

Das Urkilo geht in Rente

Das Urkilo, welches zu 90% aus Platin und zu 10% aus Iridium besteht, hat ausgedient. Es hat im Laufe der Jahrzehnte ca. 50 Mikrogramm (0,00005 Gramm) an Masse verloren. Dieses scheint auf den ersten Blick so gering zu sein, dass es keinen größeren Effekt auf das alltägliche Wägen hat, doch spätestens wenn es „wissenschaftlich“ wird, benötigt man hochexakte und konstante Einheiten. Daher wurde es dringend nötig, so wie es bereits bei nahezu allen Basiseinheiten der Fall ist, eine Möglichkeit zu finden, das Kilogramm in Zukunft auf eine Naturkonstante zu beziehen.

Nach jahrelanger Forschung sind zwei Verfahren nun von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (vom französischen: Conférence Générale des Poids et Mesures; kurz: CGPM) vom 13.-16. November 2018 zu „offiziellen“ Nachfolgern des Urkilos ernannt worden:

Das Avogadro-Experiment und die Watt-Waage werden künftig die Eckpfeiler der Neudefinition des Kilogramms sein. Ab dem 20. Mai 2019 ist diese Neuregelung gültig. 

Avogadro-Projekt und Watt-Waage definieren das Kilo neu 

Beim sogenannten Avogadro-Projekt wird bestimmt, wie viele Atome in einer nahezu perfekten, monokristallinen und monoisotopischen Silizium-Kugel enthalten sind. Die Herstellung einer solchen Kugel ist sehr zeit-, arbeits- und kostenintensiv. 3 Monate dauert der Vorgang. Dabei wird zunächst aus einem Siliziumkristall an einer Maschine mit einem drehenden Rohr eine Art Würfel mit abgerundeten Ecken erstellt. Dieser wird anschließend auf einer relativ simplen Drehbank mit Hilfe von Diamanten in Kugelform gebracht. Anschließend wird beim Läppen die Kugel durch lose, rollende Körner weiter geschliffen. Im letzten Arbeitsgang erfolgt das Polieren mit Titanoxid. Alleine dieser Vorgang dauert 2 Monate. Täglich werden dabei ca. 20 Milligramm der Kugel abgetragen.  

Nach Herstellung dieses Hochpräzisionsobjekts kann der Durchmesser und die Masse bei bekannter Dichte des Materials für die genaue Bestimmung der Avogadro-Konstante verwendet werden. Dadurch wiederum kann das Kilogramm exakt definiert werden. 

Die Watt-Waage (auch Kibble-Waage) ist ein hochkompliziertes Messinstrument zur Bestimmung des Kilogramms. Es funktioniert indem eine elektrische und eine mechanische Kraft mittels Schwerkraft erzeugt wird und diese beiden Werte miteinander gleichgesetzt werden. D.h. auf der einen Seite ist ein Elektromagnet, der diese Seite der Waage nach unten zieht und auf der anderen z.B. ein Gewicht von 1kg. Der elektrische Strom durch den Elektromagneten wird so eingestellt, dass die Waage perfekt ausbalanciert ist.

Watt-Waage oder Kibble-Waage

Durch die äußerst präzise Messung des Stroms durch den Elektromagneten ist es möglich, den Wert der Planck-Konstante „h“ mit einer Genauigkeit von 0,000001 % zu bestimmen. Die Planck-Konstante beschreibt, dass die Kraft, die von einem Elektromagneten auf ein Metallobjekt ausgeübt wird, in direktem Verhältnis zum elektrischen Strom durch die Spule dieses Magneten steht. Es besteht also ein direkter Zusammenhang zwischen Strom und Gewicht. Basierend auf den Messergebnissen kann man anschließend das Kilogramm genau definieren. 

Wer jetzt befürchtet, dass seine alte Waage nach der Neudefinition nicht mehr „richtig“ wägt, braucht sich keine Gedanken zu machen. Die neue Definition des Kilogramms ändert den Wert der Einheit nicht. Daher ist es nicht notwendig Wägeinstrumente neu zu kalibrieren.

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