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Anbindung des Kilogramms an eine Atommasse

Mit dem Goldionen-Experiment der PTB wurde die Atommasse von Gold in der SI-Basiseinheit Kilogramm bestimmt. Dieses Experiment könnte in Zukunft dazu führen, dass die Definition des Kilogramm nicht mehr auf einen Prototyp, sondern auf eine Atommasse und somit auf eine physikalische Konstante Bezug nimmt.

Draufsicht auf die experimentelle Anordnung des Experiments. Im Vordergrund sind die Ionenquelle und der Massenseparator (blau) zu sehen.

Vergleiche zwischen dem internationalen und den nationalen Kilogramm-Prototypen sowie den Referenznormalen des Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) haben Masseänderungen im Bereich von 50 mg in 100 Jahren ergeben. Eine Masseänderung des internationalen Kilogrammprototyps kann dabei nicht ausgeschlossen werden. Um diese Änderungen nachzuweisen, benötigt man einen hinreichend genauen Vergleich des Kilogramms mit einer physikalischen Konstante. Daher hat sich die PTB mit ihrem Experiment Ionenakkumulation zum Ziel gesetzt, die atomare Masseneinheit mit einer relativen Unsicherheit von etwa 10–8 an das Kilogramm anzuschließen und damit einen weiteren Weg für eine Neudefinition des Kilogramms aufzuzeigen.

Bei dem Experiment werden Ionen aus einem Ionenstrahl in einem Kollektor aufgefangen. Dabei werden die Stromstärke des Ionenstrahls und die Akkumulationszeit gemessen sowie die Masse der akkumulierten Ionen bestimmt. Daraus lässt sich – bei Kenntnis der relativen Atommasse und der Elementarladung – die atomare Masseneinheit bestimmen. Mit einem Ionenstrom von etwa 10 mA soll eine Masse von 10 g eines schweren Elements akkumuliert werden. Dazu werden etwa sechs Tage benötigt.

In einem ersten Akkumulationsexperiment wurden Goldionen auf einer goldbeschichteten Quarzwaage aufgefangen. So wurde die Atommasse von Gold in der SI-Basiseinheit Kilogramm mit einer Abweichung von 0,6 % vom erwarteten Wert und einer Unsicherheit von 1,5 % bestimmt. Die akkumulierte Masse betrug etwa 0,5 mg bei einem Ionenstrom von 0,01 mA und einer Akkumulationszeit von acht Stunden.

Zur Erhöhung des Ionenstroms wurden mit einer neuen Anordnung inzwischen Gesamtionenstrahlen (Xenon und Gold) mit einer Stromstärke von über 60 mA erzeugt, wobei der Anteil an Gold-Ionen aber nur einer Stromstärke von 0,8 mA entsprach. Da auch diese Stromstärke noch nicht ausreicht, wird künftig eine neue Ionenquelle verwendet, in der ein Wismut-Ionenstrahl mit Hilfe eines Ofens erzeugt wird. Vermutlich kann hier der erforderliche Strom von mindestens 10 mA erreicht werden. Die Masse der akkumulierten Ionen soll mit einer symmetrischen, gleicharmigen Balkenwaage im Vakuum bestimmt werden. Diese Waage wurde in der PTB entwickelt und wird zur Zeit erprobt. Die derzeitige Standardabweichung der Waage von 3 · 10–9 kg soll auf unter 1 · 10–10 kg verbessert werden, um die Masse von etwa 10 g akkumuliertem Wismut hinreichend genau bestimmen zu können.

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