Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das neue Kelvin kann kommen

31.03.2017

Mit der Bestimmung der Boltzmann-Konstante macht die PTB den Weg zur Neudefinition der Temperatureinheit frei

Noch ist das Kelvin buchstäblich auf Wasser gebaut – genauer: auf dem Tripelpunkt von Wasser. Damit ist die Basiseinheit der Temperatur abhängig von einem Material, dessen Eigenschaften schwanken können. Doch das wird sich ändern.


PTB-Wissenschaftler Christof Gaiser mit dem Kern des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers.

(Foto: PTB)

Im Herbst 2018 wird das Kelvin, genauso wie alle anderen Einheiten im Internationalen Einheitensystem (SI), auf das feste und unverrückbare Fundament von Naturkonstanten gestellt. Beim Kelvin ist das die Boltzmann-Konstante. Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben sie jetzt mithilfe eines Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers so genau bestimmt, dass einer Neudefinition der Temperatureinheit Kelvin nichts mehr im Wege steht. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Metrologia veröffentlicht.

Noch basiert die Definition der SI-Basiseinheit Kelvin auf einer Materialeigenschaft von Wasser: dem Tripelpunkt. Bei einer ganz bestimmten Temperatur kann Wasser gleichzeitig fest, flüssig und gasförmig sein. Allerdings ist Wasser nicht gleich Wasser. Und so ist der Tripelpunkt abhängig von der Isotopenzusammensetzung des verwendeten Wassers.

Zwar haben sich Physiker weltweit auf ein „Standard-Wasser“ geeinigt – ideal ist dieser Umstand dennoch nicht. Damit hat das Kelvin im Prinzip das gleiche Problem wie beispielsweise das Kilogramm oder das Mol: Sie alle beruhen auf den Eigenschaften stofflicher Dinge, entweder auf sogenannten Prototypen (wie das Urkilogramm, ein Zylinder aus Platin-Iridium) oder auf Wasser (wie das Kelvin).

Alle diese Materialien sind prinzipiell in vielfacher Weise veränderlich. Aber schon in etwa eineinhalb Jahren, im Herbst 2018, wird aller Voraussicht nach eine große internationale Konferenz die Grundlagen des gesamten Internationalen Einheitensystems SI neu festlegen. Ab dann beruhen alle Einheiten auf einem Satz Naturkonstanten – unveränderlichen Eigenschaften der physikalischen Welt. Sie sind dann das Fundament aller Dinge rund ums Messen.

Die passende Naturkonstante für Temperaturmessungen ist die Boltzmann-Konstante k. Sie gibt an, wie die thermische Energie eines Gases (also die Bewegung der Gasteilchen) von der Temperatur abhängt. In einem abgeschlossenen Gefäß lässt sich die kinetische Energie messen, indem man den Druck des Gases bestimmt. Das geht – bei der geforderten Genauigkeit – etwa mit einem akustischen Gasthermometer.

Die entsprechenden Messungen an den Metrologieinstituten Englands, Italiens, Frankreichs, Chinas und der USA erreichen eine gemittelte Messunsicherheit von weniger als 1 ppm (ein Millionstel) – und erfüllen damit die erste Bedingung des Konsultativ-Komitees für Thermometrie (CCT) für die Neudefinition des Kelvins. Aber eine weitere Bedingung lautet, dass eine zweite, unabhängige Methode ähnlich kleine Messunsicherheiten erreicht. Zu diesem Zweck startete die PTB im Jahr 2007 das Projekt des Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometers, das mit 1,9 ppm jetzt die geforderte Genauigkeit erreicht hat.

Dieses spezielle Thermometer nutzt die Tatsache aus, dass das Edelgas Helium als sogenanntes Dielektrikum die Kapazität eines Kondensators verändert. Mit einer elektrischen Messung kann man also die Dichte messen – und darüber eine Temperatur. Und elektrische Kapazitätsmessungen kann man mit einer sehr großen Genauigkeit schaffen.

Die Messunsicherheit liegt in diesem Fall nur bei einigen Milliardsteln. Allerdings mussten dafür alles perfekt stimmen: Die Wissenschaftler mussten die Materialeigenschaften der verwendeten Kondensatoren bei hohen Drücken (bis 7 MPa) an der Grenze des Machbaren bestimmen und eine Gasreinheit von mehr als 99,99999 % gewährleisten.

Darüber hinaus musste das höchste Normal der PTB für die Druckmessung, das auf Kolbenmanometern basiert, verbessert werden. Diese weltweit einmaligen Entwicklungen gelangen nur mithilfe verschiedener Kooperationen innerhalb der PTB (insbesondere mit den beiden Arbeitsgruppen „Druck“ und „Geometrische Normale“) sowie durch breite internationale Zusammenarbeit.

Nachdem die Boltzmann-Konstante nun mit zwei unabhängigen Methoden hinreichend genau bestimmt werden konnte, wird CODATA im September 2017 den endgültigen Wert für k berechnen. Die „CODATA Task Group on Fundamental Constants“ ist eine internationale Expertengruppe, deren Aufgabe es ist, die in den Metrologieinstituten aus aller Welt ermittelten Werte von Naturkonstanten zu bewerten und unter einen Hut zu bringen. Damit ist der Weg für die Neudefinition des Kelvins auf der Grundlage einer Naturkonstanten frei. Und im Herbst 2018 heißt es dann wohl: Bühne frei für ein ganz neues SI!
(es/ptb)

Ansprechpartner:
Dr. Christof Gaiser, PTB-Arbeitsgruppe 7.43 Rauschthermometrie, Telefon: (030) 3481-7349, E-Mail: christof.gaiser@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
C. Gaiser, B. Fellmuth, N. Haft, A. Kuhn, B. Thiele-Krivoi, T. Zandt, J. Fischer, O. Jusko, W. Sabuga: Final determination of the Boltzmann constant by dielectric-constant gas thermometry. Metrologia 54, 280–289 (2017)

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/nachrichtenpresseinformatione...

Dipl.-Journ. Erika Schow | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik