Alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms

Die wissenschaftliche Gemeinschaft prüfte verschiedene Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms , bevor sie im November 2018 eine Revision des SI beschloss. Jeder Ansatz hatte Vor- und Nachteile.

Vor der Neudefinition wurden das Kilogramm und mehrere andere SI-Einheiten, die auf dem Kilogramm basieren, durch ein künstliches Metallobjekt, den sogenannten Internationalen Kilogrammprototyp (IPK), definiert. ^{[ 1 ]} Es herrschte weitgehende Einigkeit darüber, dass die ältere Definition des Kilogramms ersetzt werden sollte.

Das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) verabschiedete im November 2018 eine Neudefinition der SI-Basiseinheiten, die das Kilogramm als den festen Zahlenwert der Planck-Konstante definiert , der exakt gleich ist.${\textstyle h}$6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴  J⋅Hz ^{−1 ‍ [2 ]} . Dieser Ansatz definiert das Kilogramm effektiv durch die Sekunde und den Meter und trat am 20. Mai 2019 in Kraft. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

^{Im Jahr 1960 wurde der Meter, der} zuvor ebenfalls anhand eines einzelnen Platin-Iridium-Stabs mit zwei Markierungen definiert worden war, neu definiert. Die Definition erfolgte über eine invariante physikalische Konstante (die Wellenlänge einer bestimmten Lichtemission von Krypton [ ^{6 ]} und später die Lichtgeschwindigkeit ), sodass der Standard in verschiedenen Laboren unabhängig voneinander durch Befolgen einer schriftlichen Spezifikation reproduziert werden kann.

Auf der 94. Sitzung des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht (CIPM) im Jahr 2005 wurde empfohlen, das Gleiche mit dem Kilogramm zu tun. ^{[ 7 ]}

Im Oktober 2010 beschloss das CIPM, der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) eine Resolution zur Kenntnis zu bringen, in der die Absicht geäußert wurde, das Kilogramm mithilfe der Planck-Konstante h ( die die Dimension Energie mal Zeit hat) und anderer physikalischer Konstanten zu definieren. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Diese Resolution wurde auf der 24. Konferenz der CGPM ^{[ 10 ]} im Oktober 2011 angenommen und auf der 25. Konferenz im Jahr 2014 weiter diskutiert. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Obwohl das Komitee die erzielten Fortschritte anerkannte, kam es zu dem Schluss, dass die Daten noch nicht ausreichend robust seien, um die überarbeitete Definition zu übernehmen, und dass die Arbeiten fortgesetzt werden sollten, um die Annahme auf der 26. Konferenz im Jahr 2018 zu ermöglichen. ^{[ 11 ]} Eine solche Definition würde theoretisch die Verwendung jedes Geräts erlauben, das das Kilogramm mithilfe der Planck-Konstante bestimmen kann, sofern es über ausreichende Präzision, Genauigkeit und Stabilität verfügt. Die richtige Futterbalance ist eine Möglichkeit, dies zu erreichen.

Im Rahmen dieses Projekts wurden über viele Jahre hinweg verschiedene Technologien und Ansätze geprüft und untersucht. Einige dieser Ansätze basierten auf Geräten und Verfahren, die die reproduzierbare Herstellung neuer Prototypen mit Kilogramm-Masse auf Anfrage ermöglicht hätten. Dabei wurden Messtechniken und Materialeigenschaften verwendet, die letztlich auf physikalischen Konstanten beruhen oder auf diese zurückführbar sind. Andere Ansätze basierten auf Geräten, die entweder die Beschleunigung oder das Gewicht von manuell justierten Kilogramm-Testmassen maßen und deren Größen mithilfe spezieller Komponenten elektrisch darstellten, wodurch die Rückführbarkeit auf physikalische Konstanten gewährleistet war. Solche Ansätze setzen die Umrechnung einer Gewichtsmessung in eine Masse voraus und erfordern daher die präzise Messung der Schwerkraft im Labor. Alle Ansätze hätten eine oder mehrere Naturkonstanten präzise auf einen definierten Wert festgelegt.

Die Kibble-Waage (vor 2016 als „Watt-Waage“ bekannt) ist im Wesentlichen eine Ein-Schalen -Waage , die die elektrische Leistung misst , die benötigt wird, um dem Gewicht einer Kilogramm-Testmasse entgegenzuwirken, während diese von der Erdanziehungskraft angezogen wird. Sie ist eine Variante der Ampere-Waage mit einem zusätzlichen Kalibrierungsschritt, der den Einfluss der Geometrie eliminiert. Das elektrische Potenzial in der Kibble-Waage wird durch ein Josephson-Spannungsnormal definiert , das es ermöglicht, die Spannung mit extrem hoher Präzision und Stabilität mit einer invarianten Naturkonstante zu verknüpfen. Ihr Schaltungswiderstand wird anhand eines Quanten-Hall-Effekt -Widerstandsnormals kalibriert .

Die Kibble-Waage erfordert eine äußerst präzise Messung der lokalen Gravitationsbeschleunigung g im Labor mithilfe eines Gravimeters . Weicht beispielsweise die Höhe des Gravimeterzentrums von der Höhe der nahegelegenen Testmasse in der Kibble-Waage ab, kompensiert das NIST den Gravitationsgradienten der Erde.309  μGal /m , was das Gewicht einer ein Kilogramm schweren Testmasse um etwa316 μg/m³ .

Im April 2007 wies die Implementierung der Kibble-Waage durch das NIST eine kombinierte relative Standardunsicherheit (CRSU) von 36  μg auf. ^{[ 13 ] [ Anmerkung 1 ]} Die Kibble-Waage des britischen National Physical Laboratory  erreichte 2007 eine CRSU von 70,3 μg. ^{[ 14 ]} Diese Kibble-Waage wurde 2009 demontiert und an das kanadische Institute for National Measurement Standards (Teil des National Research Council ) versandt, wo die Forschung und Entwicklung mit dem Gerät fortgesetzt werden konnte.

Der Vorteil elektronischer Realisierungen wie der Kibble-Waage liegt darin, dass die Definition und Verbreitung des Kilogramms nicht mehr von der Stabilität von Kilogramm-Prototypen abhängt, die äußerst sorgfältig gehandhabt und gelagert werden müssen. Physiker sind somit nicht mehr auf Annahmen über die Stabilität dieser Prototypen angewiesen. Stattdessen können handjustierte, annähernd genaue Massenstandards einfach gewogen und als gleich einem Kilogramm plus einem Offsetwert dokumentiert werden. Bei der Kibble-Waage wird das Kilogramm zwar elektrisch und gravimetrisch beschrieben , die sich beide auf Naturinvarianten zurückführen lassen, aber es ist auch direkt auf drei fundamentale Naturkonstanten zurückzuführen . Die Planck-Konstante definiert das Kilogramm über die Sekunde und den Meter. Durch die Festlegung der Planck-Konstante hängt die Definition des Kilogramms zusätzlich nur noch von den Definitionen der Sekunde und des Meters ab. Die Definition der Sekunde basiert auf einer einzigen definierten physikalischen Konstante: der Hyperfeinstrukturaufspaltungsfrequenz des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms Δν ( ^133Cs ) _{_hfs} . Das Meter basiert auf der Sekunde und einer weiteren definierten physikalischen Konstante: der Lichtgeschwindigkeit c . Mit der so neu definierten Kilogramm-Einheit sind physikalische Objekte wie das IPK nicht mehr Teil der Definition, sondern dienen als Transferstandards .

Waagen wie die Kibble-Waage ermöglichen zudem mehr Flexibilität bei der Auswahl von Materialien mit besonders wünschenswerten Eigenschaften für Massennormale. Beispielsweise könnte Pt-10Ir weiterhin verwendet werden, sodass die Dichte neu hergestellter Massennormale derjenigen bestehender nationaler Primär- und Kontrollnormale (≈21,55  g/ml) entspräche. Dies würde die relative Unsicherheit bei Massenvergleichen in Luft verringern . Alternativ könnten völlig andere Materialien und Konstruktionen erforscht werden, um Massennormale mit höherer Stabilität herzustellen. So könnten beispielsweise Osmium -Iridium-Legierungen untersucht werden, falls sich die Neigung von Platin zur Wasserstoffabsorption (aufgrund der Katalyse von VOCs und kohlenwasserstoffbasierten Reinigungsmitteln) sowie atmosphärisches Quecksilber als Instabilitätsquellen erweisen. Auch aufgedampfte, schützende Keramikbeschichtungen wie Nitride könnten hinsichtlich ihrer Eignung zur chemischen Isolation dieser neuen Legierungen untersucht werden.

Die Herausforderung bei Kibble-Waagen besteht nicht nur darin, ihre Unsicherheit zu reduzieren, sondern sie auch zu einer wirklich praktischen Anwendung des Kilogramms zu machen. Nahezu jeder Aspekt von Kibble-Waagen und ihrer zugehörigen Ausrüstung erfordert so außerordentlich präzise und genaue Spitzentechnologie, dass – anders als bei Geräten wie Atomuhren – derzeit nur wenige Länder deren Betrieb finanzieren würden. Beispielsweise verwendete die Kibble-Waage des NIST im Jahr 2007 vier Widerstandsstandards, die alle zwei bis sechs Wochen nach ihrer Kalibrierung in einem anderen Bereich des NIST-Hauptgebäudes in Gaithersburg, Maryland , durch die Waage rotierten . Es zeigte sich, dass allein das Verschieben der Widerstandsstandards nach der Kalibrierung innerhalb des Flurs zur Kibble-Waage deren Werte um 10 ppb (entspricht 10 μg) oder mehr veränderte. ^{[ 15 ]} Die heutige Technologie reicht nicht aus, um einen stabilen Betrieb von Kibble-Waagen auch nur zwischen halbjährlichen Kalibrierungen zu gewährleisten. Wenn die neue Definition in Kraft tritt, werden voraussichtlich zunächst nur wenige – höchstens – Kibble-Waagen weltweit im Einsatz sein.   

Es wurden verschiedene alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms untersucht, die sich grundlegend von der Kibble-Waage unterschieden, wobei einige verworfen wurden. Insbesondere das Avogadro-Projekt war für die Entscheidung zur Neudefinition im Jahr 2018 von Bedeutung, da es eine genaue Messung der Planck-Konstante lieferte, die mit der Kibble-Waage-Methode konsistent und unabhängig von ihr war. ^{[ 16 ]}

Seit dem 20. Mai 2019 ist das Kilogramm (kg) durch die Festlegung des numerischen Wertes der Planck-Konstante definiert, =${\displaystyle h}$6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴  J⋅Hz ^{−1 ‍ [2 ]} , mit Realisierungen basierend auf elektromechanischen Experimenten (Kibble-Waagen) und Röntgenkristalldichtemessungen (XRCD) an Siliziumkugeln. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Die nachfolgenden Ansätze werden als historische Vorschläge , die die Neudefinition beeinflusst haben, und/oder als Realisierungsmethoden, die nach 2019 verwendet wurden, beibehalten .

Die Internationale Avogadro-Koordinierungsstelle (IAC) stellte hochangereicherte ^²⁸ Si -Einkristallkugeln her und maß deren Volumen, Gitterabstand und Isotopenzusammensetzung, um die Avogadro-Konstante mittels Röntgenkristalldichtemessung (XRCD) zu bestimmen. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Diese Ergebnisse lieferten zusammen mit Messungen der Kibble-Waage die notwendige Konsistenz, um das SI-System 2019 neu zu definieren und die Avogadro-Konstante festzulegen . Auch nach 2019 ist XRCD eine der anerkannten Methoden zur Realisierung des Kilogramms (d. h. zur Erzeugung eines auf die festgelegten Konstanten rückführbaren Massenwerts). ^{[ 21 ]}${\displaystyle h}$

Vor 2019 wurden mehrere Vorschläge zur Definition des Kilogramms über eine feste Avogadro-Konstante und eine bestimmte Anzahl von ^¹² C- Atomen untersucht. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Mit der Revision von 2019 wurde die Avogadro-Konstante (N_{_A} =6,022 140 76 × 10 ²³  mol ^{−1 ‍ [24 ]} ) und der Planck-Konstante ( ) wurden beide exakte Werte zugewiesen; das Kilogramm ist nun über definiert , während die Definition des Mols zugrunde liegt. ^{[ 25 ]}${\displaystyle h}$${\displaystyle h}$${\displaystyle N_{A}}$

Experimentelle Studien untersuchten die Definition einer Masse durch Zählen abgeschiedener Ionen (z. B. Au oder Bi) mittels elektrischem Strom, jedoch erreichte dieser Ansatz nicht die erforderliche Reproduzierbarkeit und Praktikabilität und wurde daher für die Neudefinition des SI-Systems nicht übernommen. ^{[ 26 ]}

Einige Vorschläge untersuchten die Definition des Kilogramms über elektromechanische Kraft-/Beschleunigungsbeziehungen. In der Praxis ist die Definition von 2019 festgelegt und wird mit Kibble-Waagen realisiert, die mechanische und elektrische Leistung nach quantenelektrischen Standards gleichsetzen. ^{[ 27 ]}${\displaystyle h}$