Überflüssiges Urkilogramm - Vakuumtechnologie spielt eine wichtige Rolle bei der neuen Definition von Masse

Überflüssiges Urkilogramm - Vakuumtechnologie spielt eine wichtige Rolle bei der neuen Definition von Masse

Das Kilogramm bezieht sich als einzige von sieben Grundeinheiten noch immer auf einen real existierenden Körper: das in Paris verwahrte Urkilogramm. Dies soll sich bald ändern, die neue Definition der Masseeinheit wird auf Naturkonstanten basieren. Wesentliche Schritte der dafür nötigen Experimente finden im Vakuum statt.
2_Kilogramm.jpg

Etwa so groß wie ein Tennisball, silberglänzend und in nahezu perfekter Kugelform – so sehen die Kristallkugeln aus, die bald den Platin-Iridium-Zylinder des Pariser Urkilogramms ersetzen könnten. Wissenschaftler haben sie aus hochreinem Silizium hergestellt, ihr Gewicht entspricht exakt dem des Urkilogramms.

Im Vakuum leichter

Für den Massevergleich der Siliziumkugeln mit dem Urkilogramm werden die Objekte sowohl unter atmosphärischen Bedingungen als auch bei Unterdruck gewogen. Da die Messungen im Vakuum nicht durch Luftauftrieb und Konvektionseffekt behindert werden, schwanken die Messergebnisse weniger als bei atmosphärischem Druck. Zudem sind die Körper im Vakuum etwas leichter, denn aus der Luft können sich kleine Teilchen an der Oberfläche der Objekte ablagern. Beim Wiegen der Kristallkugeln können diese im Durchschnitt immerhin einen Unterschied von fast zehn Mikrogramm ausmachen.

Um eine unabhängige Formel zur Definition des Kilogramms zu erstellen, müssen die Physiker anschließend die Anzahl der in den Kugeln vorhandenen Siliziumatome bestimmen. Diese können sie dank der äußerst präzisen Kugelform und der perfekten Kristallstruktur sehr genau berechnen. Um die geforderte Präzision zu erreichen, dürfen sich die Forscher bei hundert Millionen Atomen jedoch höchstens um eins verzählen. Gelingt das Experiment, kann auch das Kilo künftig auf eine Naturkonstante zurückgeführt werden: auf das Atomgewicht von Silizium 28.

Vakuum sorgt für Reinheit

Für die exakte Bestimmung der Atomanzahl muss das Silizium extrem rein sein. Um für seine einwandfreie Qualität zu sorgen, werden die Monokristalle deshalb unter Vakuum gezüchtet. Dazu wird sortenreines, gereinigtes Silizium im Tiegel einer Kristallziehanlage wenige Grad über den Schmelzpunkt erhitzt. Anschließend wird ein kleiner, hochreiner Monokristall – der sogenannte Impfkristall – in die Schmelze getaucht. An ihm erstarrt das flüssige Silizium und setzt dabei dessen regelmäßige Gitterstruktur fort. Durch langsame Dreh- und Aufwärtsbewegungen entsteht eine zylinderförmige Kristallsäule, aus der dann die Siliziumkugeln herausgefräst werden.

Die so gefertigten und anschließend polierten Kugeln sind nahezu perfekt geformt: Ihr Durchmesser weicht an keiner Stelle mehr als hundert Nanometer von der Kugelform ab. Übertrüge man diese Verhältnisse auf die Erdkugel, würde sich kein Hügel über mehr als fünf Meter erheben.

Zwei Jahre messen

Um das Volumen zu ermitteln, werden etwa eine Million Punkte auf der Oberfläche der Siliziumkugeln optisch präzise vermessen. Der Abstand der einzelnen Atome im Kristallgitter wird mit einem Röntgeninterferometer bestimmt. Kennt man diese Daten lässt sich berechnen, wie viele Atome in das Volumen passen – theoretisch.

Denn während das Innere der Siliziumkugeln aus einem regelmäßigen Kristallgitter besteht, bildet sich an der Oberfläche eine Schicht aus Siliziumdioxid. Sie beeinflusst die Masse und das Volumen der Kugeln, weshalb ihre Stärke genau bestimmt und bei den Berechnungen der Physiker berücksichtigt werden muss. Die Kugeln werden daher mit einer kombinierten Röntgenfluoreszenz- und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Auch diese Analyse findet im Vakuum statt: Damit die Photonen und Elektronen nicht von Luftteilchen absorbiert werden, sondern den Detektor ungehindert erreichen, werden die Kugeln in einer Ultrahochvakuumanlage bei einem Unterdruck von etwa 10-8 mbar untersucht.

Etwa zwei Jahre haben die Forscher für die Vermessung der Kristallkugeln eingeplant. Nach fast 130 Jahren im Einsatz könnte das Urkilogramm dann im Herbst 2018 ersetzt werden.

Busch liefert Vakuumsysteme für Forschungsanlagen und Laboranwendungen weltweit.


Die meisten Maßeinheiten werden inzwischen durch Formeln von unveränderlichen Naturkonstanten bestimmt. So ist etwa der Meter als die Strecke definiert, die Licht im Vakuum während der Dauer einer 299.792.458-stel Sekunde zurücklegt, die Sekunde als der Zeitraum, in dem ein Cäsiumatom 9.192.631.770-mal schwingt.

Urkilogramm leidet unter Gewichtsverlust

Das Kilogramm dagegen bezieht sich als einzige Maßeinheit mit dem Urkilo immer noch auf eine reale Masse. Das ist nicht unproblematisch, denn wenn dieser Prototyp beschädigt wird oder verloren geht, kann er nicht ersetzt werden. Zudem verliert der Platin-Iridium-Zylinder mit der Zeit an Gewicht: Etwa 50 Mikrogramm ist er seit seiner Herstellung leichter geworden. Dies hat der Vergleich mit seinen weltweit über Messinstitute verteilten Kopien ergeben. Der Grund für diesen Masseverlust ist nicht abschließend geklärt, eine mögliche Ursache liegt in der Reinigungsprozedur. Mit einer neuen, auf Naturkonstanten beruhenden Definition der Masse gehören solche Probleme der Vergangenheit an: Eine exakt ein Kilo schwere Referenzmasse kann dann bei Bedarf jederzeit nachgebaut werden.


„World of Vacuum" auch als Newsletter!
Jetzt abonnieren und immer Neues und Spannendes aus der Welt des Vakuums erfahren.

ANMELDEN

* Ich möchte den vierteljährlich erscheinenden „World of Vacuum"-Newsletter von Busch per Email erhalten. Diese Einwilligung kann jederzeit am Ende des E-Mail-Newsletters widerrufen werden.

Möchten Sie mehr erfahren?
Nehmen Sie direkt mit uns Kontakt auf (Busch Schweiz):
+41 (0)61 845 90 90 Kontaktformular