PHYSIKALISCHE EINHEITEN: DIE ZUKUNFT VON KILOGRAMM UND CO. Von Sebastian Jarosch

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1 PHYSIKALISCHE EINHEITEN: DIE ZUKUNFT VON KILOGRAMM UND CO. Von Sebastian Jarosch 1

2 GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 3.Die 7 SI-Einheiten: Geschichte und heutige Definition 4.Die Generalkonferenz 2

3 GESCHICHTE Vielzahl von Standards in den wichtigen Industrienationen "Jedes deutsche Ländchen hat sein eigen Quäntchen (H. J. v. Alberti,1957) 3

4 GESCHICHTE Bsp.: Elle München 79,90cm Erfurt 40,38cm Bremste wirtschaftliche Entwicklung 4

5 GESCHICHTE 1875: 17 Staaten weltweit Internationale Konvention für Maße und Gewichte ZIEL: unabhängiges Einheitensystem 5

6 GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 6

7 MOTIVATION Maßeinheiten dienen zum Messen von Objekten Vergleichbarkeit Genauigkeit beschränkt durch Vergleichsstandard Alltag vs. Industrie 7

8 SI-EINHEITEN SYSTEME INTERNATIONAL D'UNITES Bestehen aus den 7 Basisgrößen Länge Zeit Masse Stromstärke Temperatur Stoffmenge Lichtstärke Meter Sekunde Kilogramm Ampere Kelvin Mol Candela Alle anderen Größen sind ableitbar!!! 8

9 SI-VORSÄTZE 9

10 SI-VORSÄTZE 10

11 DAS GROßE ZIEL Problem: immer genauere Maßeinheiten nötig Exakte und unveränderliche Neudefinitionen anhand von Naturkonstanten Ohne zu große Abweichung zum bereits vorhandenen System 11

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13 GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 3.Die 7 SI-Einheiten: Geschichte und heutige Definition 13

14 DAS KILOGRAMM Maß für Trägheit bzw. Schwere von Körpern Historische Definition: Masse von 1l Wasser bei 3.98 C+Normaldruck maximale Dichte 14

15 DAS SORGENKIND SEIT 1889 Neudefinition über das Urkilogramm 83 exakte Kopien: Deutschland (22,52,55,70) 15

16 DAS URKILOGRAMM Zylinder aus Platin-Iridium- Legierung(90-10) Liegt im Internationalen Büro für Gewichte und Maße Sèvres bei Paris 16

17 PROBLEM DES ARTEFAKTS 17

18 DIE NEUDEFINITION 2 Ansätze 1. Urkilogramm 2.0 Kistenprinzip über Periodische Anordnung Leitung durch PTB 18

19 DIE NEUDEFINITION M Kugel = ρ V Kugel ρ = m Si n a 3 N a M Kugel = V Kugel m Si n a 3 N a n Anza der Atome pro Elementarzelle a Kantenlänge Elementarzelle m Si Molare Masse 28Si N a Avogadro Konstante 19

20 DIE NEUDEFINITION 1 Kilogramm: 5, XX C Teilchen N a : 6, XX mol 20

21 Die Watt-Waage Bestimmung über das Planksche Wirkungsquantum h 2. DER ALTERNATIVE WEG 21

22 DIE WATT-WAAGE Wechselwirkung zwischen statisch räumlichen Magnetfeld und Spule, die mit Gewicht verbunden ist 2 Messungen: Bewegung und Wägung +Kenntnis der Erdbeschleunigung Die geplante Definition: Wirkumsquantum h exakt = 6, XX Js (Joule Sekunden) 22

23 U ind = lvb DIE RECHNUNG F Spule = BIl = mg = F Gewicht U ind I = mgv (Wattwage) m = U indi gv mit U ind I~f

24 DIE SEKUNDE Bis Mitte 20. Jahrhundert: Drehung der Erde um Achse Dann Drehung der Erde um Sonne Ab 1967 Atomuhr: Perioden des Zäsium-Atoms Anregung durch Mikrowellen 24

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26 FUNKTIONSWEISE VON ATOMUHREN Quarzoszillator als Zeitgeber Prinzip der quantenhaften Absorption dient zur Korrektur 26

27 GENAUIGKEIT Modell: Cäsium-Fontäne Arbeitsfrequenz: 9 192, MHz Standardabweichung ~ Entspricht: 1 Sekunde auf 20 Millionen Jahren 27

28 ZUKUNFT Anregung über Laserlicht optische Atomuhr Definition: Grundzustandshyperfeinaufspaltung des Zäsium-133-Atoms exakt Hz 28

29 DER METER 1. Vorschlag schon 1668 Sekundenpendel Woher kommt der heutige Meter?? 10 Millionster Teil des Erdquadranten auf dem Meridian von Paris 29

30 Ab 1960: Definition über Wellenlänge des Lichts DER METER Endgültige Festlegung 1983: Strecke, die Licht in einer stel Sekunde im Vakuum zurücklegt 30

31 EINE WEITERE PROBLEMEINHEIT DAS KELVIN 1968: Festlegung über Tripelpunkt von Wasser 31

32 DEFINITION DER THERMODYNAMSCHICHEN TEMPERATUR Das Kelvin ist der 273,16-te Teil der Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. 32

33 WO LIEGT DAS PROBLEM? Das Vienna Standard Mean Ocean Water: Wasser ist nicht überall gleich Zusammensetzung über Anteil der Isotope festgelegt Bsp.: 2 H / 1 H = 1 55,76 ± 0,1 ppm (Teile pro Million) 33

34 DIE ABHILFE Naturkonstante: Boltzmann-Konstante k B E Th T E Th = k B T termisce Energie Temperatur in Kelvin 34

35 ANGESTREBTE NEUDEFINITION Boltzmann Konstante entspricht exakt k B = 1, XX J K 35

36 DIE ANSÄTZE Im Prinzip mit jedem Primärthermometer NIST: akustischer Gasthermometrie Schallgeschwindigkeit PTB: Dielektrizitätskonstanten- Gasthermometrie Kapazitätsänderung Kondensator 36

37 DAS AMPERE Erste Definition 1898: Stärke des Stromes, der aus einer Silbernitrat-Lösung mittels Elektrolyse in einer Sekunde 1,118 mg Silber abscheidet 37

38 DER HEUTIGE STAND (SEIT 1948) Unendlich lange Drähte Abstand 1m Vakuum Hervorgerufene Kraft pro Länge N F 1 l F 1 = B 2 I 1 l B 2 = μ 0 I 2 2 π r = N m 38

39 e ZÄHLEN Angestrebte Definition über Elementarladung e = 1, XX Coulomb Drehtürprinzip: Ein e -pro Takt! 100 Millionen Takte lang!! I = e τ mit τ als Taktdauer 39

40 DIE LICHTSTÄRKE Definiert über das Candela ( Lichtstrom Raumwinkel ) Früher: 1. Flammennormale 2. Glühendes Metall 40

41 HELLEMPFINDLICHKEIT DES AUGES 1 Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges V(λ) 0 400nm 700nm 41

42 UMRECHNUNG STRAHLUNGSLEISTUNG AUF LICHTSTÄRKE Stralungsleistung φ e = dn dt Lictstrom φ K m φ = K m 780nm 380nm φ e λ λ f V(λ) dλ photometrisches Strahlungsäquivalent 42

43 HEUTIGE DEFINITION DES CANDELAS: Gerichtete Lichtstärke(Candela) Monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz Strahlungsintensität Watt Steradiant Sensor: genormte spektrale Empfindlichkeitsverteilung (photometrisch) 43

44 GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 3.Die 7 SI-Einheiten: Geschichte und heutige Definition 4.Die Generalkonferenz 44

45 DIE GENERALKONFERENZ FÜR MAßE UND GEWICHTE Tagt in Sevres (Pariser Vorort) Tagt alle 4 Jahre Oktober Neueste Ziele: Naturkonstanten, k B, N a, e festlegen 45

46 BESCHLUSSBEISPIELE Komma und Punkt bestätigt als Dezimaltrennzeichen; keine Verwendung zur Gliederung von Ziffernfolge(Res10, 2003) Festlegung der Isotopenzusammensetzung des Wassers für die Definition des Kelvins (Res10,2007) 46

47 VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT Quellen: 1.Das internationale Einheitensystem.Ptb-Mitteilungen 09/2011, auf 2. Robert Wynands und Ernst O. Göbel, Die Zukunft von Kilogrammund Co., Spektrum der Wissenschaft, März 2010, S