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Boltzmann-Konstante bestimmt

Der Weg zur Neudefinition der Einheit Kelvin ist frei

PTB-News 2.2017
02.05.2017
Besonders interessant für

metrologische Grundlagenforschung

Neudefinition der Einheiten

Der PTB ist eine unabhängige Messung der Boltzmann-Konstante kB gelungen. Damit ist eine wesentliche Bedingung des Konsultativ-Komitees für Thermometrie (CCT) erfüllt, sodass der Neudefinition des Kelvins über die Festlegung der Boltzmann-Konstante nichts mehr im Wege steht. Die abschließenden Messungen von kB mit dem Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometer haben eine relative Unsicherheit von 1,9 ppm (parts per million). Dies ist im Vergleich zur Unsicherheit von 15 ppm zu Beginn des Projekts im Jahre 2007 eine Reduktion um einen Faktor 8.

PTB-Wissenschaftler Christof Gaiser mit dem Kern des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers. Silberfarben: die verschiedenen Druckbehälter mit den speziellen Kondensatoren, die für die Messung in ihrem Inneren mit Helium gefüllt werden.

Um eine Einheit auf die Basis einer Naturkonstanten zu stellen, sollte diese grundsätzlich mit zwei unabhängigen Methoden, beide mit vergleichbarer Unsicherheit, gemessen werden. Schon vor etwa 30 Jahren konnte die Boltzmann-Konstante kB mithilfe des akustischen Gasthermometers mit einer relativen Unsicherheit von 1,8 ppm bestimmt werden. Diese Methode wurde im letzten Jahrzehnt an verschiedenen Metrologieinstituten noch verfeinert, wobei das genaueste Ergebnis eine um den Faktor 2 reduzierte Unsicherheit hat. Mit diesen Ergebnissen wird die erste Bedingung des CCT für die Neudefinition erreicht, einen gemittelten Wert für die Boltzmann-Konstante mit einer Unsicherheit unter 1 ppm zu erhalten.

Eine hierzu unabhängige Methode ist die Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie, welche die PTB seit vielen Jahren einsetzt. Bei dieser Methode wird der Druck des Messgases Helium in einem gasgefüllten Kondensator bestimmt. Dabei wird ausgenutzt, dass Helium als Dielektrikum die Kapazität des Kondensators verändert. Bei Drücken bis 7 MPa musste die Unsicherheit der Druckmessung auf ein Viertel reduziert werden. Dies gelang mit einer weltweit einmaligen relativen Unsicherheit von 1 ppm. Um die Kapazitätsänderungen zu messen, durften sogar nur relative Unsicherheiten von einigen Milliardsteln nicht überschritten werden. Darüber hinaus mussten die Materialparameter für die Kondensatoren bei den hohen Drücken an der Grenze des Messbaren bestimmt und eine Gasreinheit höher als 99,99999 % gewährleistet werden. Dies konnte jetzt mithilfe verschiedener Kooperationen innerhalb der PTB (mit den beiden Arbeitsgruppen Druck und Geometrische Normale) und durch breite internationale Zusammenarbeit erreicht werden.

Nachdem die Boltzmann-Konstante nun mit beiden Methoden hinreichend genau bestimmt werden konnte, wird CODATA im September 2017 den endgültigen Wert für kB berechnen. Damit ist der Weg für die Neudefinition des Kelvins auf der Grundlage einer Naturkonstanten frei. Voraussichtlich im Herbst 2018 wird dann das gesamte Internationale Einheitensystem (SI) auf eine neue Basis gestellt werden.

Ansprechpartner

Christof Gaiser
Fachbereich 7.4 Temperatur
Telefon: (030) 3481-7349
Opens window for sending emailchristof.gaiser(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

C. Gaiser, B. Fellmuth, N. Haft, A. Kuhn, B. Thiele-Krivoi, T. Zandt, J. Fischer, O. Jusko, W. Sabuga: Final determination of the Boltzmann constant by dielectricconstant gas thermometry. Metrologia 54, 280–289 (2017)