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PTB-Mitteilungen 2/2016

Experimente für das neue Internationale EinheitensystemExperimente für das neue Internationale Einheitensystem

PTB Mitteilungen 2016 Heft 2

2. Auflage 07 / 2018

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.

Experiments for the New SIExperiments for the New SI

PTB-Mitteilungen 2.2016

2nd Edition 07/2018

Foreword

Jens Simon

Today, we can already say with certainty that the autumn of 2018 will earn an entry in the history books of science. And perhaps it will be more than just the history of science that takes note of this event, but the history of civilization itself.

For it is in the autumn of 2018 that an under-taking will be signed and sealed that is the sum total of years and even decades of work at national metrology institutes in the very highest art of measurement: a fundamental revision of the Inter-national System of Units (Système international d’unités, or SI for short).

A Paradigm Change in the International System of Units (SI)

Rainer Scharf, Thomas Middelmann

The significance of measurement
Measurement is one of the foundations of our modern-day civilization. It is a key prerequisite of trade, technology and science – fields that demand ever more precise and reliable measurement procedures. During measurement, the existing state of a quantity is compared to a reference state that is made available by means of a measurement standard such as the prototype of the kilogram. In order to ensure that different measurements can be compared to one another, a binding agreement on a suitable reference quantity is necessary.

How Does an Atomic Clock Tick? – Realization of the Second from 1955 to the Present Day

Andreas Bauch, Stefan Weyers, Ekkehard Peik

Introduction
The SI base unit the “second” has a special position among the units: since 1967, it has been defined with reference to an atomic constant – here the hyperfine structure transition frequency in the cesium atom (133Cs). Even today, the unit of time is the SI unit which has been realized by far with the highest accuracy – and this is why other base units are defined or realized with reference to it. The definition of the base unit the “meter”, for example, refers to the second: the meter is defined as the distance traveled by light in vacuum in 1/299 792 458 seconds. The realization of the volt – the unit of electric voltage – exploits the Joseph-son effect, which links the volt with a frequency via the ratio of two fundamental constants, h / (2e) (h: Planck’s constant, e: elementary charge). The interactions between the units are the subject of the article Counting Electrons to Measure Currentin this publication, written by Scherer and Siegner.The decision made in 1967 was obviously very farsighted. The original text of the definition, “The second is the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of atoms of the caesium 133 atom”, was formulated so generally that it has never been questioned to this day, despite the numerous developments atomic clocks have experienced since 1955. In this period, the relative uncertainty with which the SI unit can be realized was reduced from approx. 10–10 down to nearly 10–16.

Interferometry – How Do I Coax a Length Out of Light?

René Schödel

1. History and introduction
The search for a universal measure of length goes back many centuries. In the Middle Ages, a large number of different measures of length became established, some of which are still commonly used today. This diversity was an obstacle to trade, which was becoming increasingly supraregional. One of the first ideas for a universal measure of length was the seconds pendulum proposed by Jean-Félix Picard in 1668. This proposal was based on the physical relation between the length of a pendulum and its oscillation period. However, due to regional differences in the gravitational field of the Earth, the oscillation period of such a pendulum exhibited con-siderable differences. This definition of length was thus not universal enough. After the French Revolu-tion, the concept of a metric system of units started to gain acceptance. In 1799, the original meter was created as a material measure of length. The length of this material measure was to correspond to one ten-millionth of the distance between the equator and the North Pole (Earth's meridian quadrant). This statement proved wrong only later when the Earth turned out not to be exactly spherical and thus not suitable for defining the meter; consequently, this original meter was actually too short by 0.2 mm. In 1889, the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) introduced the International Prototype of the Meter for the unit meter, which was a rod made of a platinum/iridium alloy with a cross-shaped section. The length of the meter was defined as the distance between two center lines, each belonging to a group of lines, at a temperature of 0 °C.

Counting Electrons to Measure Current

Hansjörg Scherer, Uwe Siegner

1. Introduction
In every aspect of our daily lives, we are sur-rounded by electricity – every household receives an electricity bill at regular intervals. However, the “product” we are charged for on this bill is not the electric current, but the electric energy supplied for use in lighting, heating, cooling and mechan-ical work. The physical quantity of “current” is defined as the amount of electric charge that flows through the cross-section of an electric conductor, divided by the length of an interval of time. In order to measure the electric current, and to define its corresponding physical quantity (the ampere), different effects of the electric current can be used, as history shows us. For example, if current is con-ducted through a metallic salt solution, the metal ions are discharged and the metal is separated at the cathode. Until the mid-20th century, the unit of electric current was defined on the basis of an electrolytic process of this kind. This so-called “international ampere” was also defined according to the 1898 laws of the then German Empire; the definition reads as follows:

"The ampere is the unit of electric current. It is realized by means of the unchanging electric current that, upon passing through an aqueous solution of silver nitrate, deposits 0.001118 grams of silver in one second.”

Counting Atoms for Mass and Amount of Substance

Peter Becker, Horst Bettin

Summary
In addition to Planck’s constant, the Avogadro constant is an important input quantity for the international efforts to redefine the unit of the mass – the kilogram – with the aid of fundamental constants. Currently, it is proposed to refer the unit of amount of substance, the mole, directly to the Avogadro constant NA and to use Planck’s constant h for the redefinition of the mass unit (in addition to two other constants, i.e. the speed of light c and the hyperfine transition frequency of the cesium atom Δν). At present, the definition of the kilogram is still based on a prototype which is more than 100 years old: the international prototype of the kilogram in Paris. Yet the relations between this kilogram piece and all other national proto-types vary. The masses of these artifacts change (as is, in principle, to be expected for macroscopic objects in interaction with the environment). This is, in the long run, an intolerable state for the definition of the mass unit. However, before a redefinition is possible, the experimenters have to face considerable challenges: They must determine the constants in question with sufficiently small measurement uncertainties.

Electro-Mechanical Balance – the Watt Balance

Michael Gläser

Abstract
In the introduction below, the history of the devel-opment of the watt balance is explained as well as its significance for the new International System of Units (SI). Mention is made of the motiva-tion behind the idea of the watt balance – as an experimental method of linking electric quantities to the kilogram, the meter and the second, which promises a higher accuracy than has been achieved in earlier tests. The principle of the watt balance and the representation of current and voltage via the macroscopic quantum effects of the Josephson effect and the quantum Hall effect by means of Planck’s constant and the elementary charge are described. The modes of operation of the currently most significant watt balances are presented and their results are shown in a diagram in comparison to the result of the Avogadro project and in com-parison to the CODATA value based on a least-squares adjustment. Finally, the dissemination of the unit of the kilogram is described – ranging from the mass standards used in the watt balance to the weights used in industry, on the markets or for the verification of weighing instruments.

How Much Energy Does Temperature Contain? Determination of the Boltzmann Constant

Joachim Fischer, Bernd Fellmuth, Christof Gaiser

Determination of the Boltzmann constant
In 1827, the Scottish botanist Robert Brown noticed that pollen move in a strange zigzag way in a glass of water. What was the reason for this? All attempts to explain this effect – which was called “Brownian motion” later on – initially failed. It was only Albert Einstein who realized that the movement of the small particles in the liquid was caused by continual collisions of the water molecules. In 1905, he submitted his work to the “Annalen der Physik" [1], in which he explained Brownian motion. At that time, this was a substantial argument for the existence of atoms and molecules – as in the 19th century, this existence was still utterly controversial. And at the same time, Einstein’s description matched the molecular theory of heat. The warmer the water, for example, the greater the mean velocity by which the water molecules move in an unor-dered way and thus can cause collisions (Fig. 1, left). Thus, the term “thermodynamics” can be explained: heat is something which is dynamic.

A Measure for Visible Light – Development and Importance in the International System of Units

Armin Sperling, Stefan Kück

1. Introduction
The light visible to us as human beings affects every aspect of our daily lives: our behaviour, our daily rhythm, our metabolism, our communica-tion, our well-being and our productivity. Light serves as a tool, as information and as medicine all at the same time. The advent of industrializa-tion and the accompanying means of creating artificial illumination for workplaces and other environments made the quantitative and qualita-tive description of light a necessity, as insufficient light limits all of the “natural” functions described above. For these reasons, the objective physical evaluation and measurability of light became one of the central tasks of the Physikalisch-Technische Reichsanstalt (formerly PTR – Physical-Technical Imperial Institute, today PTB) shortly after it was founded in 1887

Experimentos para el nuevo SI, el Sistema Internacional de UnidadesExperimentos para el nuevo SI, el Sistema Internacional de Unidades

PTB-Mitteilungen 2.2016

2nd Edition 07/2018

Prefacio

Jens Simon

En el otoño de 2018 se producirá, hasta lo que hoy se sabe con seguridad, un acontecimiento que quedará registrado en los libros de historia de la ciencia. Incluso podría ocurrir que no sólo la historia de la ciencia tome nota de este acon-tecimiento, sino mucho más aun la historia de la civilización. Ya que en ese otoño de 2018 se va a firmar y sellar algo en lo cual los institutos nacio-nales de metrología están trabajando desde hace años e incluso décadas con la máxima capacidad de medición: una revisión a fondo del Sistema Internacional de Unidades (Système International d’unités, abreviado: SI).

Cambio de paradigma en el Sistema Internacional de Unidades (SI)

Rainer Scharf, Thomas Middelmann

La importancia de la medición
La medición es uno de los fundamentos de nuestra civilización actual. Es una condición previa indis-pensable para el comercio, la técnica y las ciencias, quienes exigen métodos de medición cada vez más precisos y confiables. Al medir se compara el estado existente de una magnitud a medir con un estado de referencia, dado por un método prima-rio o un “patrón” como el “patrón primario del kilogramo”. Para que sean comparables entre sí las distintas mediciones se requiere un acuerdo vincu-lante sobre una magnitud de referencia adecuada. Estas magnitudes de referencia son las unidades con las cuales se mide. Con el “acuerdo vinculante” queda en claro el carácter legal de las unidades, ya que sólo pueden cumplir con su cometido si se las utiliza siempre de la misma manera

¿Cómo hace tic tac un reloj atómico? – Realización del segundo desde 1955 hasta hoy

Andreas Bauch, Stefan Weyers, Ekkehard Peik

Introducción
La unidad SI básica “segundo” tiene una posición especial entre las unidades: desde 1967 está defi-nida en relación con una constante atómica, la fre-cuencia de transición de la estructura hiperfina del átomo de cesio (133Cs). Todavía hoy la unidad de tiempo es lejos la unidad SI realizada con mayor exactitud; por eso las otras unidades básicas se definen o realizan usando al segundo como refe-rencia. Por ejemplo, se hace referencia al segundo en la definición de la unidad básica “metro”: el metro se define como el trayecto que recorre la luz en 1/299 792 458 segundos. La realización del volt, la unidad de la tensión eléctrica, aprovecha el efecto de Josephson, que vincula el volt con una frecuencia a través de la relación de dos constantes naturales h /(2e) (h: constante de Planck, e: carga elemental). Las relaciones mutuas entre las uni-dades son objeto del artículo de Scherer y Siegner (ver el artículo Contar electrones para medir la corriente, en esta revista).

Interferometría –¿ cómo le extraigo una longitud a la luz?

René Schödel

1. Historia e introducción
Desde hace muchos siglos existe el deseo de una medida universal para la longitud. En la edad media se había establecido un gran número de diferentes medidas regionales de longitud, de las cuales algunas todavía son habituales. Esta diver-sidad fue un impedimento para el comercio que cada vez se expandía más allá de las regiones. Una de las primeras ideas para una medida universal de longitud fue el péndulo de segundos, propuesto por Abbé Jean Picard en 1668. Aquí se consideró la relación física entre la longitud de un péndulo y la duración de su oscilación. Pero se pudo com-probar que debido a las diferencias regionales del campo gravitacional de la tierra, había notables diferencias en la duración de la oscilación de este péndulo. Por lo tanto, esta definición no podía satisfacer la pretensión de universalizar una longi-tud. Después de la revolución francesa se impuso la idea de un sistema métrico de unidades. En 1799 se creó el “patrón primario del metro” mate-rializado como medida de longitud, dicha medida debía corresponder a la 10 millonésima parte de la distancia del Ecuador al polo Norte (cuadrante de meridiano terrestre).

Contar electrones para medir corriente

Hansjörg Scherer, Uwe Siegner

1. Introducción
La electricidad está omnipresente en la vida diaria – cada hogar recibe regularmente la factura por el consumo de electricidad. Pero la “mercancia” facturada no es la corriente eléctrica, sino la energíaeléctrica entregada, utilizada para iluminar, calefac-cionar, refrigerar o para efectuar trabajos mecá-nicos. Cuando se habla de corriente eléctrica, por lo general se refiere a la intensidad de la corriente, o sea la magnitud física intensidad de corriente eléctrica. Está definida como la cantidad de cargas eléctricas que fluye a través de la sección transversal del conductor eléctrico en un intervalo de tiempo dado, dividido por la amplitud del intervalo. Para la medición de la intensidad de la corriente y para definir la unidad física correspondiente, el ampere, es posible valerse de diferentes efectos del flujo de la corriente eléctrica tal como lo muestra una mirada en la historia: por ejemplo, si se hace pasar una corriente a través de una solución con una sal metá-lica, se descargan los iones del metal y éstos se depo-sitan sobre el cátodo. Hasta mediados del siglo 20 se definía la unidad de la intensidad de la corriente sobre la base de un proceso electrolítico de este tipo. Este llamado ampere internacional también se definió en 1898 en una ley del imperio alemán, cuyo enunciado era:

Contando átomos para masa y cantidad de sustancia

Peter Becker, Horst Bettin

Resumen
La constante de Avogadro es, además de la cons-tante de Planck, una importante magnitud de entrada para los esfuerzos internacionales que buscan redefinir la unidad de masa, el kilogramo, con la ayuda de constantes fundamentales. Actual-mente se propone relacionar directamente la unidad de cantidad de sustancia, el mol, con la constante de Avogadro NA y utilizar la constante de Planck h para la redefinición de la unidad de masa (aparte de otras dos constantes, la velocidad de la luz c y la frecuencia de transición de la estructura hiper-fina del átomo de cesio Δν). Para la definición del kilogramo todavía se está empleando un proto-tipo de más de 100 años, el “patrón originario del kilogramo”, que se encuentra en Paris. Pero las relaciones entre este patrón del kilogramo y todos los otros prototipos nacionales varían. Las masas de estos artefactos cambian (tal como es de esperar en principio de objetos macroscópicos que interac-cionan con su entorno), lo que a largo plazo resulta en una situación insostenible para definir la unidad de masa. Pero antes que sea posible redefinirla, los investigadores deben resolver un gran desafío: deben determinar las constantes en cuestión con una incertidumbre de medición suficientemente pequeña.

Equilibrio electromecánico – la balanza de Watt

Michael Gläser

Resumen
Como introducción se explica la historia de la creación de la balanza de Watt y su importancia para el nuevo sistema internacional de unidades (SI). Se detalla la motivación que llevó a la idea de la balanza de Watt como un método experimen-tal para vincular las magnitudes eléctricas con el kilogramo, el metro y el segundo, prometiendo una mayor exactitud en comparación con pruebas anteriores. Se describe el principio de la balanza de Watt y la realización de la tensión y la corriente a través de los efectos cuánticos macroscópicos de Josephson y Hall cuántico a través de la cons-tante de Planck y la carga elemental. Se presenta cómo funcionan las balanzas de Watt actualmente más importantes y se muestran en un gráfico sus resultados en comparación con el resultado del proyecto Avogadro y con el valor CODATA basado además en cálculos teóricos. Para finalizar se describe la diseminación de la unidad kilogramo a partir de los patrones de masa utilizados en la balanza de Watt hasta llegar a las pesas que se utilizan en la industria, en los mercados o para la verificación metrológica de las balanzas.

¿Cuánta energía hay en la temperatura? Determinación de la constante de Boltzmann

Joachim Fischer, Bernd Fellmuth, Christof Gaiser

Determinación de la constante de Boltzmann
Al botánico escocés Robert Brown le llamó la aten-ción en 1827 que el polen de las flores en un vaso de agua ejecute un movimiento particular en zig-zag. ¿Cuál era la causa? En principio fallaron todos los intentos de explicar este efecto, llamado posterior-mente el movimiento browniano. Hasta que Albert Einstein se dio cuenta de que el movimiento de las pequeñas partículas en el líquido era causado por choques continuos de las moléculas de agua. En 1905 presentó su trabajo en la revista “Annalen der Physik” [1], en el que explicó el movimiento browniano. En aquel entonces era un argumento significativo para explicar la existencia de átomos y moléculas, que en el siglo 19 era un tema todavía sumamente controvertido. Simultáneamente la des-cripción de Einstein concordaba con la teoría mole-cular del calor. Por ejemplo, cuánto más caliente está el agua, tanto mayor es la velocidad media con la que las moléculas de agua se mueven desordenadamente y por lo tanto pueden causar choques (Figura 1, izquierda). Esto explica también el término termodi-námico: el calor es algo dinámico.

Una medida para la luz visible – desarrollo e importancia en el Sistema Internacional de Unidades

Armin Sperling, Stefan Kück

1. Introducción
La luz visible para nosotros los seres humanos influye sobre sobre nuestra vida cotidiana, nuestro comportamiento, nuestro ritmo diario, nuestro metabolismo, nuestra comunicación, nuestro bienestar y nuestra eficiencia. La luz es al mismo tiempo herramienta, información y medicina. Con la industrialización y la posibilidad adicional de crear entornos y lugares de trabajos iluminados artificialmente se volvió obvia la necesidad de una descripción cuantitativa y cualitativa de la luz, ya que una luz defectuosa afecta negativamente a todas las funciones “naturales” arriba descritas. Por eso, la evaluación física objetiva y la mensura-bilidad de la luz fue una de las tareas centrales del Physikalisch-Technischen Reichsanstalt, luego de su fundación.