Kilogramm & Co. Naturkonstanten definieren ab sofort Basiseinheiten

Wie alle anderen Einheiten wird auch das Kilogramm ab dem 20. Mai 2019 über eine Naturkonstante definiert. Mit dem Avogadro-Experiment zählt man Atome in einer perfekten Siliziumkristallkugel.
Wie alle anderen Einheiten wird auch das Kilogramm aseit dem 20. Mai 2019 über eine Naturkonstante definiert. Mit dem Avogadro-Experiment zählt man Atome in einer perfekten Siliziumkristallkugel.

Ist ein Meter noch ein Meter und eine Sekunde noch eine Sekunde? Ja, definiert werden sie ab 20. Mai aber anders. Für die Wissenschaft beginnt damit eine neue Ära.

Bestimmte Bezugsgrößen definierten bislang zum Beispiel, was ein Meter ist oder wie lange eine Sekunde dauert. Um ein Ampere zu definieren mussten zwei stromführende Leiter streng parallel im Abstand von einem Meter gespannt werden. Mitgetragen wird das internationale Einheitensystem (SI) von nahezu 100 Staaten.

Definition durch Naturkonstanten

Seit dem 20. Mai gelten neue Regeln: Naturkonstanten definieren nun die Basiseinheiten Kilogramm, Meter, Candela, Ampere, Kelvin, Sekunde und Mol. Beschlossen wurden die Änderungen von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht, die dieses Jahr in Paris stattfand. Dem Beschluss zugrunde liegen jahrelange Forschungen und Experimente an verschiedenen internationalen Metrologie-Instituten, darunter auch der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Dadurch konnten die Werte der betreffenden Naturkonstanten sehr genau festgelegt werden.

Ausschlaggebend für die Neuausrichtung war unter anderem die Änderung des Ur-Kilogramms. Es besteht aus einem Zylinder aus Platin und Iridium und wird in einem Tresor im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres in der Nähe von Paris aufbewahrt. Es ist um 50 Millionstel Gramm leichter geworden, wie Vergleiche mit Kopien zeigten. Auch bei der Maßeinheit Kelvin gab es Probleme: Die Bezugsgröße war bisher ein Fixpunkt auf der Wasserskala. Dieser Punkt ist jedoch abhängig von der Isotopenzusammensetzung des Wassers und daher nicht konstant.

Verschiedene Konstanten bilden Grundlage

Maßeinheiten wie der Meter oder die Sekunde definieren sich schon länger über Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit. Darauf basierten auch die Forschungen bei den restlichen Größen wie dem Kilogramm. Darüber lassen sich Größen wie Energie, Druck oder Ampere ableiten. Zur Neu-Bestimmung wurden nun die Planck-Konstante h, die Avogadrokonstante NA, die Boltzmann-Konstante k und die Ladung des Elektrons e verwendet. Alle sieben Basiseinheiten lasen sich darüber ableiten.

Für das Kilo funktioniert die Definition so: Die Forscher haben gezählt, wie viele Atome einer hochreinen Silizium-Kugel genau ein Kilogramm ergeben. Sollte sich die Masse der Kugel ändern, kennen die Forscher nun die genaue Zahl der Atome.

Wissenschaft profitiert

Für die Wissenschaft ist der Bezug zur Naturkonstanten ein Fortschritt, da die Definition nun universell ist. In der Anwendung entfallen damit im neuen SI die Unterscheidungen zwischen Basiseinheiten und abgeleiteten Einheiten. Vor allem in der Genauigkeit liegt der Gewinn. Anwendungen wie Quantentechnologien oder Diagnosemöglichkeiten in der Medizin profitieren davon, aber auch die Industrie mit neuen Möglichkeiten im den Bereichen Messen und Kalibieren.

Keine Änderung für Privatpersonen

Für Privatpersonen werden die Änderungen aber kaum spürbar sein. Eine Personenwaage beispielsweise ist schlichtweg nicht so exakt geeicht. Schülerinnen und Schülern hingegen wird die neue Definition mehr abverlangen, da sie komplizierter und schwerer zu verstehen ist.

Allen Technikbegeisterten bieten das PTB und das Deutsche Museum in München einen Einblick in die Neuerungen. Dazu haben sie eine Dauerausstellung zu dem Thema mit dem Titel »Alles in Maßen – Maße für alle« eingerichtet.

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Naturkonstanten als Basiseinheiten

Vergleich Alt gegen Neu