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Kilogramm

Nachricht des Jahres im PTB-Jahresbericht 2015
01.04.2016

Für die Neudefinition und Realisierung des Kilogramms über Naturkonstanten verfolgt die PTB im Avogadroprojekt gegenüber den von einigen Ländern favorisierten Wattwaagenprojekten den Weg über das „Zählen“ von Atomen in Isotopenangereicherten Silizium-Einkristallen mithilfe der sogenannten X-Ray-Crystal-Density-Methode.

Dabei wird durch Messung der Kristalleigenschaften (molare Masse, Gitterparameter und Verunreinigungskonzentration) sowie der Kugeleigenschaften (Masse, Volumen und Oberflächenschichten) die Avogadro-Konstante bestimmt, über die das Kilogramm zurückgeführt werden kann. Anfang 2015 veröffentlichte das internationale Avogadroprojekt (BIPM, INRIM, NMIJ, NIST, PTB) einen neuen Wert der Avogadro-Konstante: NA = 6,022 140 76(12) ∙ 1023 mol–1. Dieser Wert ist konsistent mit den Ergebnissen der Wattwaagenprojekte und ergibt für die Darstellung des „neuen“ Kilogramms eine relative Unsicherheit von 2,0 ∙ 10–8.

Für das neue, inzwischen eigene Avogadroprojekt der PTB mit dem Ziel einer weiteren Absicherung der Messunsicherheit waren hochreine Silizium28-Einkristalle mit einer Isotopen-Reinheit von 99,998 % notwendig. 2012 hatte die PTB hierfür mit der Außenhandelsgesellschaft ISOTOP in Moskau einen Vertrag über die Lieferung von zwei Silizium-28-Polykristallen mit je 6 kg abgeschlossen. Im „Electrochemical Plant“ in Zelenogorsk wurde zunächst natürliches festes Silizium in gasförmiges SiF4 umgewandelt. Die hochkomplizierte, monatelang andauernde Isotopenanreicherung zum 28SiF4 fand in den Gaszentrifugen des „Electrochemical Plant“ in Zelenogorsk statt. Das „Institut für die Chemie hochreiner Substanzen“ der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nishniy Novgorod wandelte anschließend das Isotopen-angereicherte 28SiF4 aufwendig in Silan um, reinigte es in monatelangen Prozessen chemisch und erzeugte in speziell entwickelten Abscheideanlagen zwei 6 kg schwere 28Si- Polykristalle. Im August 2014 und im August 2015 wurde jeweils 6 kg polykristallines Material geliefert. Aus dem ersten Polykristall züchtete das Berliner „Leibniz-Institut für Kristallzüchtung“ einen Einkristall und übergab ihn am 25. März 2015 an die PTB. Der zweite Einkristall wird Anfang 2016 erwartet. Aus diesen Einkristallen sollen in der PTB mit höchster Präzision insgesamt vier Kugeln mit der Masse von jeweils rund 1 kg gefertigt werden. Inzwischen wurden auch in der PTB mit größtem Aufwand sämtliche notwendigen Messtechniken entwickelt.

Anfang 2015 schloss die PTB einen neuen Vertrag über die Lieferung von drei weiteren Isotopenangereicherten 28Si-Polykristallen mit je 6 kg, jetzt direkt mit den „Electrochemical Plant“ in Zelenogorsk. Geplant ist, dass die PTB spätestens 2018 über insgesamt zehn 28Si-Einkristallkugeln von je 1 kg verfügt. Hierdurch wird eine noch weit höhere Genauigkeit der Avogadro-Konstante erwartet. Dies ist wichtig, da die Genauigkeit der Masseeinheit von größter industrieller Bedeutung ist.