Vergangenheit und Gegenwart des Kilogramms

Wie viel wiegt ein Kilogramm? Wissenschaftler erforschen dieses scheinbar einfache Problem seit Hunderten von Jahren.

Im Jahr 1795 erließ Frankreich ein Gesetz, das „Gramm“ als „das absolute Gewicht von Wasser in einem Würfel, dessen Volumen einem Hundertstel Meter bei der Temperatur entspricht, bei der das Eis schmilzt (d. h. 0 °C)“ festlegte. Im Jahr 1799 entdeckten Wissenschaftler, dass das Wasservolumen am stabilsten ist, wenn die Dichte des Wassers bei 4 °C am höchsten ist. Daher wurde die Definition des Kilogramms in „die Masse von 1 Kubikdezimeter reinem Wasser bei 4 °C“ geändert “. Dabei entstand ein Original-Kilogramm aus reinem Platin. Das Kilogramm wird als gleich seiner Masse definiert, die als Archiv-Kilogramm bezeichnet wird.

Dieses Archivkilogramm dient seit 90 Jahren als Maßstab. Im Jahr 1889 genehmigte die Erste Internationale Konferenz für Metrologie eine Nachbildung einer Platin-Iridium-Legierung, die dem Archivkilogramm am nächsten kam, als internationales Originalkilogramm. Das Gewicht eines „Kilogramms“ wird durch einen Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung (90 % Platin, 10 % Iridium) definiert, der etwa 39 mm hoch und im Durchmesser ist und derzeit in einem Keller am Stadtrand von Paris gelagert wird.

Internationales Originalkilogramm

Seit dem Zeitalter der Aufklärung setzt sich die Vermessungsgemeinschaft für den Aufbau eines universellen Vermessungssystems ein. Obwohl es eine praktikable Möglichkeit ist, das physische Objekt als Messmaßstab zu verwenden, wird die Stabilität beeinträchtigt, da das physische Objekt leicht durch vom Menschen verursachte oder umweltbedingte Faktoren beschädigt werden kann, und die Messgemeinschaft wollte diese Methode schon immer so schnell wie möglich aufgeben wie möglich.

Nachdem das Kilogramm die internationale Original-Kilogrammdefinition übernommen hat, stellt sich für Metrologen eine Frage, die große Sorgen bereitet: Wie stabil ist diese Definition? Wird es mit der Zeit driften?

Es sollte gesagt werden, dass diese Frage zu Beginn der Definition der Masseneinheit Kilogramm aufgeworfen wurde. Als beispielsweise das Kilogramm im Jahr 1889 definiert wurde, stellte das Internationale Büro für Maß und Gewicht sieben Kilogrammgewichte aus einer Platin-Iridium-Legierung her, von denen eines das Internationale ist. Das ursprüngliche Kilogramm wird zur Definition der Masseneinheit Kilogramm verwendet, die anderen sechs Gewichte B. aus dem gleichen Material und dem gleichen Verfahren, werden als sekundäre Benchmarks verwendet, um zu überprüfen, ob es im Laufe der Zeit zu Driften untereinander kommt.

Gleichzeitig benötigen wir mit der Entwicklung hochpräziser Technologien auch stabilere und genauere Messungen. Daher wurde ein Plan zur Neudefinition der internationalen Grundeinheit mit physikalischen Konstanten vorgeschlagen. Die Verwendung von Konstanten zur Definition von Maßeinheiten bedeutet, dass diese Definitionen den Anforderungen der nächsten Generation wissenschaftlicher Entdeckungen gerecht werden.

Den offiziellen Daten des Internationalen Büros für Maß und Gewicht zufolge hat sich in den 100 Jahren von 1889 bis 2014 die Qualitätskonstanz anderer Original-Kilogramme und des internationalen Original-Kilogramms um etwa 50 Mikrogramm verändert. Dies zeigt, dass ein Problem mit der Stabilität des physischen Benchmarks der Qualitätseinheit vorliegt. Obwohl die Veränderung von 50 Mikrogramm gering klingt, hat sie für einige High-End-Industrien große Auswirkungen.

Wenn die grundlegenden physikalischen Konstanten als Ersatz für den physikalischen Maßstab Kilogramm verwendet werden, wird die Stabilität der Masseneinheit nicht durch Raum und Zeit beeinflusst. Daher hat das Internationale Komitee für Maß und Gewicht im Jahr 2005 einen Rahmen für die Verwendung grundlegender physikalischer Konstanten zur Definition einiger Grundeinheiten des Internationalen Einheitensystems entworfen. Es wird empfohlen, die Planck-Konstante zur Definition der Masseneinheit Kilogramm zu verwenden, und kompetente Laboratorien auf nationaler Ebene werden ermutigt, entsprechende wissenschaftliche Forschungsarbeiten durchzuführen.

Daher stimmten Wissenschaftler auf der Internationalen Konferenz für Metrologie 2018 dafür, den internationalen Prototyp des Kilogramms offiziell außer Dienst zu stellen, und änderten die Planck-Konstante (Symbol h) als neuen Standard, um „kg“ neu zu definieren.