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Atome für das Kilogramm

Bei den Neudefinitionen der Einheiten spielen die Messungen der PTB eine entscheidende Rolle

PTB-News 2.2014
02.01.2015
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  • Grundlagen des Einheitensystems

Im neuen Einheitensystem gehören die Avogadro-Konstante und das Planck’sche Wirkungsquantum zu den wesentlichen Eckpfeilern. Die Messungen dieser Konstanten wurden im internationalen Avogadroprojekt vorangetrieben und basieren auf dem Zählen von Atomen in Kugeln aus reinem Silizium. Nachdem vor einigen Monaten von russischen Vertragspartnern neues, nahezu isotopenreines Ausgangsmaterial geliefert wurde, konnte das Berliner Leibniz-Institut für Kristallzüchtung daraus einen Einkristall züchten, der jetzt in die PTB geliefert wurde. In der PTB erfolgen nun die Produktion der Kugeln und alle anschließenden Messungen. Das erklärte Ziel ist die Bestimmung der Avogadro-Konstanten mit einer relativen Unsicherheit von 1 ⋅ 10–8 oder besser.

Gemäß dem Comité International des Poids et Mesures (CIPM) soll das Internationale Einheitensystem grundsätzlich auf der Basis von Naturkonstanten definiert werden. Im Fokus stehen vor allem die Basiseinheiten Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol. Die betreffenden Naturkonstanten werden dabei auf bestimmte Zahlenwerte festgelegt. Zuvor gilt es jedoch, diese Werte bestmöglich zu messen. Für die Neudefinition des Kilogramms verfolgt die PTB dabei den Weg über das „Zählen“ von Atomen in einem Silizium-Einkristall mithilfe der sogenannten X-Ray-Crystal-Density-Methode. Dabei wird durch Messung der Kristalleigenschaften (u. a. der molaren Masse und des kristallinen Gitterparameters) sowie der Kugeleigenschaften (u. a. der Masse und des Volumens) die Avogadro-Konstante bestimmt.

Um die molare Masse genau genug messen zu können, muss allerdings ein Kristall aus nahezu isotopenreinem Silizium verwendet werden. Zu diesem Zweck hat die PTB mit der Außenhandelsgesellschaft ISOTOP in Moskau einen Vertrag über die Lieferung von 12 kg 28Si abgeschlossen. Als Materialspezifikation wurden ein hoher Anreicherungsgrad von besser als 99,99 % im Isotop 28Si sowie auch eine außergewöhnlich hohe chemische Reinheit festgelegt. Die Isotopenanreicherung des Siliziums findet mithilfe von Zentrifugen des Electrochemical Plant in Zelenogorsk statt, dem weltweit größten Lieferanten für jede Art von Isotopen. Das gasförmige Silizium-Tetrafluorid (28SiF4) wird dann im Institut für die Chemie hochreiner Substanzen der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nishniy Novgorod in Silan (28SiH4) umgewandelt, sehr aufwendig gereinigt und schließlich als polykristallines Silizium auf einem dünnen, elektrisch geheizten Siliziumstab, einem sogenannten Slimrod, abgeschieden.

Der erste Polykristall mit einer Masse von 6 kg wurde im August 2014 aus Russland geliefert. Aus diesem Polykristall hat das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin einen Einkristall gezogen und diesen Anfang des Jahres 2015 der PTB übergeben. Aus diesem Einkristall wird die PTB unter Anwendung einer eigens entwickelten komplexen Fertigungskette insgesamt zwei Kugeln mit der Masse von jeweils rund 1 kg zur Bestimmung der Avogadro- und der Planck-Konstanten herstellen. Der Fertigungsprozess konnte inzwischen soweit verbessert werden, dass saubere Oxidschichten und Rundheiten von deutlich besser als 100 nm erreicht werden. Mitte 2015 soll dann ein zweiter Polykristall folgen. Dann werden insgesamt vier Siliziumkugeln zur Verfügung stehen, mit denen Avogadro- und Planck- Konstante sehr genau bestimmt werden können. Nach einer Neudefinition des Einheitensystems steht zudem mit dem „Silizium-Kilogramm“ ein praktikabler Weg zur Darstellung und Weitergabe der Masseeinheit zur Verfügung.

Leitung Avogadroprojekt:

Horst Bettin
Leiter der PTB-Arbeitsgruppen 3.43 Festkörperdichte und 3.44 Avogadro-Konstante
Telefon: (0531) 592-3330
Opens window for sending emailhorst.bettin(at)ptb.de

Koordination PTB-Kilogrammprojekt:

Roman Schwartz
Vizepräsident der PTB
Opens window for sending emailroman.schwartz(at)ptb.de

Beauftragter Russland-Kooperation:

Manfred Peters
Vizepräsident der PTB a. D.
Opens window for sending emailmanfred.peters(at)ptb.de