Logo PTB

Determination of the Boltzmann constant k for redefining the base unit kelvin

Am 20. Mai 2019 wurde die bis dato gültige Definition der Basiseinheit Kelvin basierend auf dem Wassertripelpunkt auf eine neue Grundlage gestellt. Eine Basiseinheit auf der Grundlage einer Materialeigenschaft zu definieren war nicht der Idealzustand. Wünschenswert war es vielmehr eine Definition, die universeller und damit zuverlässiger ist, wie es bei anderen Einheiten bereits realisiert wurde. Die Festlegung der Boltzmann-Konstante k, dem Konversionsfaktor zwischen thermischer und mechanischer Energie, ist eine solche Definition. Lange Jahre ist diese unabhängige Definition der Temperatureinheit u.a. deshalb nicht erfolgt, weil die Boltzmann-Konstante k, nicht mit einer relativen Unsicherheit (realisiert 6 x 10-7) bestimmt werden konnte, die der Unsicherheit der Darstellung des Wassertripelpunktes gleichkommt. Zur Bestimmung der Boltzmann-Konstante war es notwendig, Primärthermometrie am Wassertripelpunkt durchzuführen, d. h. Thermometer zu verwenden, für die der Zusammenhang zwischen ihrer Anzeige und der thermodynamischen Temperatur mit genügender Genauigkeit theoretisch beschrieben werden kann. Die Präzisionsbestimmung der Boltzmann-Konstante war damit eine zentrale Aufgabe für die Weiterentwicklung des Internationalen Einheitensystems.

Als Auftakt für ein internationales Projekt fanden der erste und zweite internationale Workshop zur Bestimmung der Boltzmann-Konstante k in der PTB Berlin statt. Es war gelungen, Vertreter der weltweit führenden Institute als Vortragende zu gewinnen. Das war die Grundlage für eine umfassende Diskussion der Fortschritte auf den Gebieten der Gasthermometrie mit unterschiedlichen Verfahren, der Rauschthermometrie und der Thermometrie auf der Basis von Spektrallinien der Doppler-Verbreiterung. Hierauf aufbauend konnte die PTB eine wesentliche Verringerung der Unsicherheit bei der Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie erreichen, wozu u. a. große Anstrengungen zur Verbesserung der Druckmessung bis 7 MPa notwendig waren. Die erreichte deutliche Ausweitung der internationalen Kooperation, die in mehreren nachfolgenden Workshops weiter abgestimmt wurde, war angesichts der Bedeutung der Bestimmung von k für die Neudefinition der Einheit Kelvin im Jahre 2019 sehr wichtig.

Auf Grundlage der Diskussionen des zweiten internationalen Workshops zur Bestimmung der Boltzmann-Konstante k hatten sich zahlreiche europäische Partner zusammengeschlossen, um mithilfe von drei Verfahren k zu bestimmen. Näheres dazu findet man auf der Homepage des inzwischen abgeschlossenen iMERA Plus Projektes "Boltzmann Constant" und in [1]. Nach dem Abschluss dieses Projektes erfolgte die Koordination der Zusammenarbeit und die Vorbereitung der Neudefinition durch eine Arbeitsgruppe des Konsultativkomitees für Thermometrie. Ein Überblick über die Arbeiten und deren Abschluss wird in einem Metrologia Artikel aus dem Jahr 2018 gegeben [2].

1. B Fellmuth, C. Gaiser, J. Fischer, Determination of the Boltzmann constant—status and prospects, Meas. Sci. Technol. 17 (2006) R145-R159

2. J. Fischer, B. Fellmuth, C. Gaiser, T. Zandt, L. Pitre, F. Sparasci, M. D. Plimmer, M. de Podesta, R. Underwood, G. Sutton, G. Machin, R. M. Gavioso, D. Madonna Ripa, P. P. M. Steur, J. Qu, X. J. Feng, J. Zhang, M. R. Moldover, S. P. Benz, D. R. White, L. Gianfrani, A. Castrillo, L. Moretti, B. Darquié, E. Moufarej, C. Daussy, S. Briaudeau, O. Kozlova, L. Risegari, J. J. Segovia, M. C. Martín and D. del Campo, The Boltzmann project, Metrologia. 55 (2018) R1-R20