Ein altes Eisen

10.03. 15:47 Uhr

Das Urkilogramm hat ausgedient, bald gilt eine Naturkonstante als Maßstab.

Dieses Stück Metall — von Glasglocken geschützt — definiert genau ein Kilogramm.

Foto: AFP

Dieses Stück Metall — von Glasglocken geschützt — definiert genau ein Kilogramm.

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Im Keller des altehrwürdigen Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) bei Paris steht seit 1889 ein knapp vier Zentimeter hoher Platin-Iridium-Zylinder in einem Panzerschrank. Einmal pro Jahr steigen die Institutsdirektoren in den Keller hinab und öffnen mit drei verschiedenen Schlüsseln den Safe, um zu schauen, ob der silbriggrau glänzende Zylinder noch da ist. Denn was dort unter Glasglocken ruht, ist der Prototyp des Kilogramms. Von diesem Stück Metall hängen die Gewichtsmaße der Welt ab.

Zwar besitzen zahlreiche Länder Kopien dieses „Ur-Kilos“ — die deutsche liegt bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Maßgeblich ist aber das Pariser Original. „Das ist nicht unproblematisch“, gibt Horst Bettin zu bedenken, der sich an der PTB mit einer Neudefinition des Kilogramms beschäftigt. Denn „es ist ein einzelnes Stück, kann sich verändern, beschädigt oder sogar gestohlen werden.“

Tatsächlich gibt es Hinweise darauf, dass das Ur-Kilo in den vergangenen 100 Jahren um 50 millionstel Gramm abgenommen hat. Es ist die letzte der sieben international festgelegten Basiseinheiten (Meter, Sekunde, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol, Candela – siehe Hintergrund), die noch durch einen Prototyp definiert ist. Das soll sich nun ändern.

Bis aufs Kilogramm lassen sich alle Grundeinheiten durch physikalische Experimente reproduzieren, die an jedem Ort dasselbe ergeben. So war der Meter definiert als zehnmillionster Teil des Pariser Meridians. Ein „Ur-Meter“ war die Referenz.

Das Kilogramm ist gemäß der ursprünglichen Definition das Gewicht eines Liters Wasser bei größter Dichte (vier Grad Celsius). „Das wurde mit dem Ur-Kilogramm ganz gut getroffen“, sagt Bettin. Der aus 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium bestehende Zylinder liegt nur um etwa drei Millionstel daneben. Das klingt nicht viel, aber für heutige Anwendungen ist das nicht gut genug. Jede Neudefinition des Kilogramms soll den Massewert des heutigen Ur-Kilogramms mindestens hundert Mal genauer treffen.

Ein naheliegender Gedanke war daher, das Kilogramm als das ganze Vielfache des Gewichts irgendeines bestimmten Atoms zu definieren. Jede Definition muss allerdings auch experimentell umsetzbar sein. Da sich einzelne Atome nicht wiegen lassen, versuchten unter anderem die PTBPhysiker, Goldionen zu sammeln, die sich wiegen lassen. Die Genauigkeit war unbefriedigend. „Künftig soll das Kilogramm über die Planck-Konstante neu definiert werden“, so BIPM-Forscher Michael Stock. Das ist eine fundamentale Naturkonstante der Quantenphysik, die Teilchen- und Welleneigenschaften verknüpft.

Mittels so genannter Wattwaagen, die elektrische und mechanische Leistung ermitteln, kann ein Objekt äußerst genau gewogen werden, wenn man die Plancksche Konstante in die Messung einbezieht. US-Forscher versuchen auf diesem Weg, das Kilogramm neu zu bestimmen.

Die PTB verfolgt in Braunschweig einen alternativen Ansatz: Sie zählt Atome und will damit die sogenannte Avogadro-Konstante exakt bestimmen, die angibt, wie viele Atome oder Moleküle sich in einem Mol eines Stoffs befinden — ungefähr 602 Trilliarden. Weiß man diese Zahl möglichst genau, lässt sich darüber ebenfalls ein exakter Wert der Planck-Konstante bestimmen.

In Braunschweig untersuchen die Physiker dazu einen lupenreinen Silizium-Einkristall, der aufwändig hergestellt wurde. Die perfekt geformte Ein-Kilo-Kugel besteht aus dem Silizium-Isotop Si-28 und enthält höchstens 0,1 Promille andere Atome. Aus der Dichte der Atome sowie dem Gewicht und Volumen des Kristalls lässt sich die Zahl der Atome ermitteln. So haben die Braunschweiger Forscher gerade den bislang genauesten Wert der Avogadro-Konstante ermittelt: 602,214078 Trilliarden, mit einer Unsicherheit von 30 Milliardstel.

„Auf dieser Basis könnte man bereits an eine Neudefinition des Kilos denken“, berichtet Bettin. „Aber man möchte das erst mit anderen Ergebnissen wie der Wattwaage vergleichen.“ Daher rechnen die Experten noch nicht bei der nächsten Generalkonferenz für Maße und Gewichte in diesem Herbst mit einer Neudefinition, sondern frühestens zur nächsten Konferenz 2015.

Dabei könnte auch die Verbesserung einer anderen Basiseinheit abfallen: Denn das Braunschweiger „Avogadro“-Projekt liefert quasi nebenbei eine genauere Definition der Einheit der Stoffmenge – auch das Mol würde dann über die neue festgelegte Avogadro-Konstante definiert.