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Ionenakkumulation

Dieses Projekt ist beendet. Die Information darüber dient Dokumentationszwecken.

Experiment Ionenakkumulation

Das Kilogramm ist die einzige der sieben SI-Basiseinheiten (Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol, Candela), die nicht durch eine atomare Konstante oder eine Fundamentalkonstante der Physik, sondern noch durch eine materielle Verkörperung, das Internationale Kilogrammprototyp, definiert ist. Man hat festgestellt, dass Massenormale von der Art des Internationalen Kilogrammprototyps (z.B. nationale Prototypen) sich untereinander in der Masse verändern. Masseänderungen des Internationalen Kilogrammprototyps sind daher nicht auszuschließen. Man könnte sie nur durch Vergleich mit einer unveränderlichen Konstante der Natur nachweisen. Es gibt daher weltweit Überlegungen und experimentelle Ansätze mit dem Ziel, das Kilogramm ähnlich wie das Meter oder die Sekunde über ein jederzeit und überall reproduzierbares physikalisches Experiment neu zu definieren. Es liegt nahe, die Masse eines bestimmten Atoms als Bezugsgröße zu wählen. Natürlich ist es unmöglich, ein einzelnes Atom zu wägen (ein 12C-Atom z.B. hat die Masse von 0,000 000 000 000 000 000 000 000 02 kg - um Größenordnungen zu klein für eine Waage). Mit dem Experiment Ionenakkumulation wurde daher in der PTB ein Experiment begonnen, mit dem nicht ein einzelnes Atom sondern viele elektrisch geladene Atome, z.B. 197Au- oder 209Bi-Atome, angesammelt zu einer wägbaren Masse von ca. m = 10 g, gewogen werden sollen. Durch Messung des Ionenstroms und der Zeit kennt man die Anzahl der akkumulierten Atome und kann so die Masse eines Atoms, ma, bestimmen.

Masseänderung der Referenznormale des BIPM gegenüber dem Internationalen Kilogrammprototyp (ähnliche Driften zeigen die nationalen Prototypen).

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Idee des Experiments Ionenakkumulation

Ionen eines bestimmten Elements, z.B. Gold oder Wismut, sollen zu einer wägbaren Masse m akkumuliert und der während der Akkumulation gemessene Ionenstrom I über die Zeit t integriert werden. Mit der bekannten Ladung e eines Ions ergibt sich dann die Masse eines Atoms ma oder - mit der relativen Atommasse Ar - die atomare Masseneinheit mu.

Um das Experiment unabhängig von der Elementarladung e durchführen zu können, kann man den Ionenstrom I über einen Widerstand R fließen lassen, den Spannungsabfall U messen und den Widerstand R nach R = h/(n1 e2) mit einem Quanten-Hall-Widerstand vergleichen und den Spannungsabfall nach U = n2 f h /(2 e) mit der Frequenz f einer Josephson-Spannung vergleichen. Somit läßt sich die Atommasse ma auf die Einheiten Kilogramm und Sekunde zurückführen.

Bei einem Gold- oder Wismut-Ionenstrahl mit einer Stromstärke von z.B. 10 mA könnte eine Masse von 10 g in 6 Tagen akkumuliert werden.

Mit einer Waage der Standardabweichung von 0,1 µg kann die Masse von 10 g mit einer relativen Unsicherheit von 10-8 bestimmt werden.

Ein Strom von 10 mA entspricht einem Massestrom von 1,8 g/Tag für Gold bzw. 1,9 g/Tag für Wismut und einem Teilchenstrom von 6,2·1016 Teilchen/s.

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Experimenteller Aufbau

Aus einer Gasentladungs - Ionenquelle (CHORDIS) werden neben positiv geladenen Edelgasionen auch Goldionen zu einem Ionenstrahl extrahiert. Die Goldionen werden mit einer magnetischen Linse (Quadrupol-Triplett) fokussiert und in einem Dipolmagneten von anderen Ionen separiert. Der Kollektor ist mit einer Waage verbunden, die einen Vergleich der Masse der akkumulierten Goldatome mit der Masse von Gewichtsstücken ermöglicht. Der Ionenstrahl stellt auch einen elektrischen Strom dar, der am Kollektor mit Hilfe eines Quanten-Hall-Widerstandes und eines Josephson-Spannungsnormals gemessen wird.

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Akkumuliertes Gold

Niederenergetische Goldionen (< 50 eV) sind auf einer Elektrode aufgesammelt worden.

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Ionenakkumulation auf einer Quarzwaage

In einem Vorversuch wurden die Goldionen eines Ionenstrahles auf Energien von weniger als 400 eV abgebremst und auf einer Quarzwaage akkumuliert. Der Quotient: Elementarladung mal Masseänderung pro Zeit dividiert durch den Ionenstrom (oder: Elementarladung e mal akkumulierte Masse m dividiert durch akkumulierte Ladung Q) wurde als Funktion der Ionenenergie ermittelt. Er ergibt im Idealfall die Masse eines Goldatoms. Da bei hohen Energien unter anderem Atome von der Oberfläche des Quarzes zerstäubt werden, erreicht dieser Quotient erst bei geringen Ionenenergien den erwarteten Wert.

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Die Messungen haben für geringe Ionenenergien eine gute Übereinstimmung mit dem erwarteten Wert der Masse eines Goldatoms in der Einheit Kilogramm gezeigt:
mAu = 3,29·10-25 kg     U/mAu = 1,5%

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