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Fortschritte bei der weiteren Verringerung der Messunsicherheit der molaren Masse des isotopisch angereicherten Siliciums für das Avogadroprojekt

03.06.2015

Ziel der internationalen Avogadro-Kooperation ist eine Neubestimmung der Avogadro-Konstante mit einer Messunsicherheit im Bereich von besser als 1 x 10-8. Hierfür  muss auch die Bestimmung der molaren Masse des angereicherten Siliciums weiterentwickelt werden, um die Messunsicherheit der molaren Masse abzusenken.

Die Bestimmung der molaren Masse des Avogadro-Siliciums basiert stark vereinfacht auf der Messung der Isotopenverhältnisse in diesem Material. Durch eine Reihe von Prozessen weichen die mit dem Massenspektrometer gemessenen Signalverhältnisse im Prozentbereich von den tatsächlichen Isotopenverhältnissen ab (Massendiskriminierung/-fraktionierung). Zur Korrektur dieser Abweichung wurde in der PTB ein Kalibrierschema erarbeitet, dass erstmals die metrologische Rückführung der Isotopenverhältnisse erlaubt. Dieses Kalibrierschema umfasste zu Beginn der Arbeiten die Messung der unkorrigierten „Isotopenverhältnisse“ in zwei gravimetrisch präparierten Isotopenmischungen sowie in den zu ihrer Herstellung verwendeten isotopenangereicherten Ausgangsmaterialien. Aus den unkorrigierten „Isotopenverhältnissen“ (und den Einwaagen) wurden erstmalig mit einer analytischen Gleichung die gesuchten Korrekturfaktoren berechnet. Das Kalibrierschema wurde mittlerweile um die dritte denkbare Isotopenmischung erweitert, so dass insgesamt zwölf mathematisch vollständig gleichwertige Lösungen zur Berechnung der Korrekturfaktoren existieren. Auf der Basis der resultierenden Messunsicherheiten der zwölf Lösungen kann nun diejenige ausgewählt werden, die für die jeweilige Messkampagne die kleinste Messunsicherheit der molaren Masse ergibt. Hierdurch und durch den Wechsel des eingesetzten Lösungsmittels (Tetramethylammoniumhydroxid in Reinstwasser anstelle von Natriumhydroxid) und die damit verbundenen experimentellen Vorteile (u.a. höhere Signale bei gleicher Konzentration) konnte mit einem vergleichsweise kleinen experimentellen und mathematischen Mehraufwand die relative kombinierte Messunsicherheit der molaren Masse uc(M(Si))/M(Si) von knapp 1×10-8 auf etwa 5×10-9 abgesenkt werden.