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Das Kilogramm - die Einheit der Masse

 

Die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) hat am 16. November 2018 eine Revision des Internationalen Einheitensystems (SI) beschlossen. Seit der Einführung des neuen SI am 20. Mai 2019 beziehen sich alle SI-Einheiten auf festgelegte Werte von sieben Naturkonstanten. Das Kilogramm wird von einem festgelegten Wert für die Planck-Konstante h (in Verbindung mit festgelegten Werten für die Frequenz des Hyperfeinstrukturübergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom ΔvCs und für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c) abgeleitet [1-4]:

Das Kilogramm, Einheitenzeichen kg, ist die SI-Einheit der Masse. Es ist definiert, indem für die Planck-Konstante h der Zahlenwert 6,626 070 15 × 10– 34 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit J s, die gleich kg m2 s– 1 ist, wobei die Einheiten Meter und Sekunde mittels c und ΔνCs definiert sind

 

 

Mit dem Abschluss der ersten internationalen Vergleichsmessung (key comparison) von Realisierungen der neuen Definition des Kilogramm [5] konnte der erste Konsenswert zur Weitergabe der Masseneinheit von der „CCM Task Group on the Phases for the Dissemination of the kilogram following redefinition“ (CCM-TGPfD-kg) ermittelt werden [6-9].

Basierend auf diesem Konsenswert wurde die Masse des Internationalen Kilogrammprototyps zu 1 kg − 0,002 mg mit einer Standardunsicherheit (k = 1) von 0,020 mg (relativ 2 · 10‑8) bestimmt [8-9]. Dieser Unsicherheitsbeitrag ist bei der Weitergabe der Masseneinheit Kilogramm nach dem 1. Februar 2021 [9] zu berücksichtigen. Er ersetzt damit die bisherige, mit der Neudefinition am 20. Mai 2019 eingeführte Standardunsicherheit (k = 1) der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps von 0,010 mg (relativ 1 · 10-8) [7].

 

Literatur

[1]  Resolutions of the 26th  meeting of the General Conference of Weights and Measures (CGPM), Versailles, 13-16 November 2018,
www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM-2018/26th-CGPM-Resolutions.pdf

[2]  PTB: Research on the new SI,
www.ptb.de/cms/en/research-development/research-on-the-new-si.html

[3]  Mise en pratique for the definition of the kilogram in the SI,
www.bipm.org/utils/en/pdf/si-mep/SI-App2-kilogram.pdf

[4]  Bureau International des Poids et Mesures: The International System of Units (SI), 9th SI Brochure, 2019, www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9-EN.pdf

[5]  Stock, M. et al.: Report on the CCM key comparison of kilogram realizations CCM.M-K8.2019, Metrologia 57 (2020) Tech. Suppl. 07030,
iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/57/1A/07030

[6]  Newell, D. B. et al.: The CODATA 2017 values of h, e, k, and NA for the revision
of the SI, Metrologia 55 (2018) L13
iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/aa950a

[7]  Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM): Report of the 16th meeting (18-19 May 2017) to the International Committee for Weights and Measures, www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCM/CCM16.pdf

[8]  Consultative Committee for Mass and Related Quantities: CCM detailed note on the dissemination process after the redefinition of the kilogram , Approved at the 17th CCM meeting, 16-17 May 2019, www.bipm.org/documents/20126/41489673/CCM_Note-on-dissemination-after-redefinition.pdf/3743d0d0-d8cc-325c-3219-547a6ea47a47

[9]  M. Stock, S. Davidson: Report on the Calculation of the CCM Consensus Value for the Kilogram 2020, www.bipm.org/documents/20126/48512025/Report+on+calculation+of+consensus+value+2020/cf6aba9a-ddaf-0a63-f3d4-5f146e6e28f1

[10] CCM Task Group on the Phases for the Dissemination of the kilogram following redefinition (CCM-TGPfD-kg): Calculation of the Consensus Value for the Kilogram 2020, www.bipm.org/documents/20126/49759984/Calculation+of+the+consensus+value+2020/99498411-54a2-ddfd-5054-4d7beb1ae45f

[11] Bureau International des Poids et Mesures: Beginning a new phase of the dissemination of the kilogram, www.bipm.org/en/-/2021-kg-consensus

Das Internationale Kilogrammprototyp

Das Internationale Kilogrammprototyp hat die Form eines Zylinders mit einer Höhe und einem Durchmesser von jeweils 39 mm. Es besteht aus einer Legierung von 90 % Platin und 10 % Iridium (Dichte ca. 21500 kg/m3) und wird im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt.

Die nationalen Kilogrammprototypen der Unterzeichnerstaaten der Meterkonvention sind offizielle Kopien des Internationalen Kilogrammprototyps, hergestellt aus gleichem Material mit gleichen Abmessungen und Oberflächeneigenschaften.

Nationales Kilogrammprototyp Nr. 52 der Bundesrepublik Deutschland

Das nationale Kilogrammprototyp der Bundesrepublik Deutschland wird unter zwei Glasglocken bei normalen Umgebungsbedingungen in der PTB Braunschweig aufbewahrt.

Die Hauptnormale aus Edelstahl werden einmal jährlich an das nationale Kilogrammprototyp angeschlossen.

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Prototypwaagen der PTB

Die genauesten Waagen der PTB sind hochauflösende 1-kg-Komparatorwaagen. Sie befinden sich in druckfesten, evakuierbaren Gehäusen. Massevergleiche können mit Standardabweichungen ≤ 4•10-10 kg durchgeführt werden.

Prototypwaagen werden für folgende Aufgaben eingesetzt:

  • Anschluss der 1-kg-Hauptnormale an das nationale Kilogrammprototyp
  • Ableitung der Masseskala ausgehend von 1 kg bis 100 g
  • Kalibrierung von Massenormalen (Nennwerte 100 g, 200 g, 500 g, 1 kg)
  • Massebestimmung von 1-kg-Siliziumkugeln (als Primärnormale der Festkörperdichte und für das internationale Avogadro-Projekt)

 

Zusätzlich werden mit diesen Waagen Messungen unter Vakuumbedingungen (0,1 Pa) durchgeführt. Mit Hilfe von Vergleichsmessungen in Luft und im Vakuum können Luftauftriebs- und Sorptionseffekte untersucht und korrigiert werden.

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Vakuum-Massekomparator Mettler M_one
in einem druckfesten, evakuierbaren Gehäuse, automatische Wechseleinrichtung mit sechs Positionen, Höchstlast 1 kg, Standardabweichung (typ.) ≤ 0,4 µg

Vakuum-Massekomparator Sartorius CCL 1007
in einem druckfesten, evakuierbaren Gehäuse, automatische Wechseleinrichtung mit acht Positionen, Höchstlast 1 kg, Standardabweichung (typ.) ≤ 0,2 µg