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Heft 2: Experimente für das neue Internationale Einheitensystem (SI)

PTB-Mitteilungen 2/2016

Vorwort

Jens Simon

Der Herbst des Jahres 2018 wird, soviel ist heute schon sicher, für einen Eintrag in die Geschichtsbücher der Wissenschaft sorgen. Und es könnte sogar sein, dass nicht nur die Wissenschaftsgeschichte von dem Ereignis Notiz nimmt, sondern auch viel grundsätzlicher die Kulturgeschichte. Denn in jenem Herbst des Jahres 2018 soll etwas mit Brief und Siegel versehen werden, woran schon seit Jahren und Jahrzehnten mit höchster Messkunst in den Nationalen Metrologieinstituten gearbeitet wird: an einer grundlegenden Revision des Internationalen Einheitensystems (Système International d’unités, kurz: SI).

Paradigmenwechsel im Internationalen Einheitensystem (SI)

Rainer Scharf, Thomas Middelmann

Die Bedeutung des Messens
Das Messen ist eine der Grundlagen unserer heutigen Zivilisation. Es ist eine entscheidende Voraussetzung für Handel, Technik und Wissenschaft, die immer präzisere und verlässlichere Messverfahren verlangen. Beim Messen vergleicht man den vorliegenden Zustand einer Messgröße mit einem Referenzzustand, der durch einen Standard oder ein „Normal“ wie das „Urkilogramm“ gegeben ist. Damit verschiedene Messungen miteinander vergleichbar sind, ist eine verbindliche Verabredung über eine geeignete Bezugsgröße erforderlich. Diese Bezugsgrößen sind die Einheiten, in denen gemessen wird. Mit der „verbindlichen Verabredung“ wird der rechtliche Charakter der Einheiten deutlich, denn sie können nur dann ihren Zweck erfüllen, wenn sie stets in gleicher Weise verwendet werden.

Wie tickt eine Atomuhr? – Realisierung der Sekunde von 1955 bis heute

Andreas Bauch, Stefan Weyers, Ekkehard Peik

Einleitung
Die SI-Basiseinheit „Sekunde“ nimmt unter den Einheiten eine Sonderstellung ein: Seit 1967 ist sie bereits mit Bezug auf eine atomare Konstante, hier die Hyperfeinstruktur-Übergangsfrequenz im Atom Caesium (133Cs), definiert. Noch heute ist die Zeiteinheit die mit Abstand am genauesten realisierte SI-Einheit; daher werden andere Basiseinheiten mit Bezug auf die Sekunde definiert oder realisiert. So wird zum Beispiel in der Definition der Basiseinheit „Meter“ Bezug genommen auf die Sekunde: Der Meter ist definiert als die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt. Die Realisierung des Volt, der Einheit der elektrischen Spannung, nutzt den Josephson-Effekt aus, der das Volt über das Verhältnis zweier Naturkonstanten, h / (2e) (h: Planck-Konstante, e: Elementarladung), mit einer Frequenz verknüpft. Die wechselseitigen Beziehungen zwischen den Einheiten sind Gegenstand des Artikels von Scherer und Siegner (siehe Artikel Elektronen zählen, um Strom zu messen in diesem Heft).

Interferometrie – wie entlocke ich dem Licht eine Länge?

René Schödel

1.    Historisches und Einführung
Der Wunsch nach einem universellen Maß für die Länge reicht viele Jahrhunderte zurück. Im Mittelalter hatte sich eine Vielzahl regional verschiedener Längenmaße etabliert, welche zum Teil heute noch geläufig sind. Diese Diversität war ein Hemmnis für den zunehmend überregional werdenden Handel. Eine der ersten Ideen für ein universelles Längenmaß war das Sekundenpendel, vorgeschlagen von Abbé Jean Picard, 1668. Hierbei wurde der physikalische Zusammenhang zwischen der Länge eines Pendels und dessen Schwingungsdauer betrachtet. Allerdings zeigte sich, dass, bedingt durch regionale Unterschiede im Schwerefeld der Erde, die Schwingungsdauer eines solchen Pendels deutliche Unterschiede aufwies. Damit konnte diese Definition dem Anspruch an Universalität einer Länge nicht genügen. Nach der französischen Revolution setzte sich die Idee eines metrischen Einheitensystems durch. 1799 wurde das Urmeter als verkörpertes Längenmaß geschaffen, dessen Länge dem 10-millionstel der Entfernung vom Äquator bis zum Nordpol (Erdmeridianquadrant) entsprechen sollte. Dass diese Aussage nicht zutreffend war, da die Erde sich als keine perfekte Kugel und damit ungeeignet zur Definition des Meters erweisen sollte, und dass dieser Urmeter eigentlich 0,2 mm zu kurz geraten war, erkannte man später. Im Jahr 1889 führte das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) den Internationalen Meterprototyp für die Einheit Meter, einen Stab aus einer Platin-Iridium-Legierung mit kreuzförmigem Querschnitt ein und legte die Länge des Meters als Abstand der Mittelstriche zweier Strichgruppen bei einer Temperatur von 0 °C fest.

Elektronen zählen, um Strom zu messen

Hansjörg Scherer, Uwe Siegner

1.    Einleitung
Elektrizität ist im Alltag allgegenwärtig − jeder Haushalt erhält regelmäßig eine Stromrechnung. Die dort in Rechnung gestellte „Ware“ ist jedoch nicht der elektrische Strom, sondern die gelieferte elektrische Energie, die zum Beleuchten, Heizen, Kühlen oder für mechanische Arbeiten genutzt wurde. Wenn von elektrischem Strom gesprochen wird, ist im Allgemeinen die Stärke dieses Stromes gemeint, also die physikalische Größe elektrische Stromstärke. Diese ist definiert als die Menge an elektrischer Ladung, die pro Zeitintervall durch den Querschnitt eines elektrischen Leiters fließt, geteilt durch die Länge des Zeitintervalls. Zur Messung der Stromstärke und zur Definition der entsprechenden physikalischen Einheit, des Ampere, können verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromflusses herangezogen werden, wie ein Blick in die Historie zeigt: Leitet man Strom beispielsweise durch die Lösung eines Metallsalzes, werden die Metallionen entladen und das Metall scheidet sich an der Kathode ab. Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Einheit der Stromstärke auf der Grundlage eines solchen elektrolytischen Prozesses definiert. Dieses sogenannte internationale Ampere war auch gemäß deutschem Reichsgesetz von 1898 definiert, mit folgendem Wortlaut:
„Das Ampere ist die Einheit der elektrischen Stromstärke. Es wird dargestellt durch den unveränderlichen elektrischen Strom, welcher bei dem Durchgange durch eine wässerige Lösung von Silber­nitrat in einer Sekunde 0,001118 Gramm Silber niederschlägt.“

Atome zählen für Masse und Stoffmenge

Peter Becker, Horst Bettin

Zusammenfassung
Die Avogadro-Konstante ist neben der Planck-Konstante eine wichtige Eingangsgröße bei den internationalen Bemühungen, die Einheit der Masse, das Kilogramm, mithilfe von Fundamentalkonstanten neu zu definieren. Aktuell wird vorgeschlagen, die Einheit der Stoffmenge, das Mol, direkt auf die Avogadro-Konstante NA zu beziehen und für die Neudefinition der Masseeinheit die Planck-Konstante h zu verwenden (neben zwei weiteren Konstanten, nämlich der Lichtgeschwindigkeit c und der Frequenz des Hyperfeinstruktur-Übergangs im Cäsiumatom Δν). Noch beruht die Definition des Kilogramms auf einem über 100 Jahre alten Prototyp, dem „Urkilogramm“ in Paris. Doch die Verhältnisse zwischen diesem Kilogrammstück und allen anderen nationalen Prototypen schwanken. Die Massen dieser Artefakte (wie es bei makroskopischen Objekten in Wechselwirkung mit der Umgebung auch prinzipiell zu erwarten ist) ändern sich – ein auf Dauer unhaltbarer Zustand für die Definition der Masseeinheit. Bevor jedoch eine Neudefinition möglich ist, stehen die Experimentatoren vor großen Herausforderungen: Sie müssen die fraglichen Konstanten mit hinreichend kleinen Messunsicherheiten bestimmen.

Elektrisch-mechanisches Gleichgewicht – die Wattwaage

Michael Gläser

Zusammenfassung
Einleitend werden die Historie zur Entstehung der Wattwaage und ihre Bedeutung für das neue Internationale System der Einheiten (SI) erläutert. Erwähnt wird die Motivation für die Idee der Wattwaage als eine im Vergleich zu früheren Versuchen höhere Genauigkeit versprechende experimentelle Methode zur Anbindung elektrischer Größen an Kilogramm, Meter und Sekunde. Das Prinzip der Wattwaage und die Darstellung von Spannung und Strom über die makroskopischen Quanteneffekte Josephson- und Quanten-Hall-Effekt durch die Planck-Konstante und die Elementarladung werden beschrieben. Die Funktionsweisen der zurzeit bedeutendsten Wattwaagen werden vorgestellt und ihre Ergebnisse im Vergleich zum Ergebnis des Avogadro-Projekts und dem auf einer Ausgleichsrechnung beruhenden CODATA-Wert in einer Grafik dargestellt. Abschließend folgt eine Beschreibung der Weitergabe der Einheit Kilogram von den in der Wattwaage verwendeten Massenormalen bis hin zu Gewichtsstücken, die in der Industrie, auf den Märkten oder zur Eichung von Waagen eingesetzt werden.

Wie viel Energie steckt in der Temperatur? Bestimmung der Boltzmann-Konstante

Joachim Fischer, Bernd Fellmuth, Christof Gaiser

Bestimmung der Boltzmann-Konstante
Dem schottischen Botaniker Robert Brown fiel im Jahr 1827 auf, dass Blütenpollen in einem Glas Wasser eine eigenartige Zickzackbewegung ausführen. Was war die Ursache dafür? Alle Versuche, diesen später Brown’sche Bewegung genannten Effekt zu erklären, scheiterten zunächst. Erst Albert Einstein erkannte, dass die Bewegung der kleinen Teilchen in der Flüssigkeit durch ein fortwährendes Stoßen der Wassermoleküle verursacht wird. 1905 reichte er bei den „Annalen der Physik” [1] seine Arbeit ein, in der er die Brown’sche Bewegung erklärte. Dies war in jener Zeit noch ein gewichtiges Argument für die Existenz von Atomen und Molekülen, die im 19. Jahrhundert noch heftig umstritten gewesen ist. Und gleichzeitig passte Einsteins Beschreibung zur molekularen Theorie der Wärme. Je wärmer beispielsweise Wasser ist, umso größer ist die mittlere Geschwindigkeit, mit der die Wassermoleküle sich ungeordnet bewegen und damit Stöße verursachen können (Bild 1 links). So erklärt sich auch der Begriff Thermodynamik: Wärme ist etwas Dynamisches.

Ein Maß für sichtbares Licht – Entwicklung und Bedeutung im Internationalen Einheitensystem

Armin Sperling, Stefan Kück

1.    Einleitung
Das für uns Menschen sichtbare Licht beeinflusst unseren gesamten Alltag, unser Verhalten, unseren Tagesrhythmus, unseren Stoffwechsel, unsere Kommunikation, unser Wohlbefinden und unsere Leistungsfähigkeit. Licht ist Werkzeug, Information und Medizin zugleich. Mit der Industrialisierung und der damit einhergehenden Möglichkeit der Schaffung künstlich beleuchteter Umfelder und Arbeitsumgebungen wurde die Notwendigkeit der quantitativen und qualitativen Beschreibung von Licht offensichtlich, da mangelhaftes Licht all die oben beschriebenen „natürlichen“ Funktionen beeinträchtigt. Die objektive physikalische Bewertung und Messbarkeit von Licht war daher bereits kurz nach ihrer Gründung eine der zentralen Aufgaben der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt.