PHYSIKALISCHE EINHEITEN: DIE ZUKUNFT VON KILOGRAMM UND CO. Von Sebastian Jarosch 1
GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 3.Die 7 SI-Einheiten: Geschichte und heutige Definition 4.Die Generalkonferenz 2
GESCHICHTE Vielzahl von Standards in den wichtigen Industrienationen "Jedes deutsche Ländchen hat sein eigen Quäntchen (H. J. v. Alberti,1957) 3
GESCHICHTE Bsp.: Elle München 79,90cm Erfurt 40,38cm Bremste wirtschaftliche Entwicklung 4
GESCHICHTE 1875: 17 Staaten weltweit Internationale Konvention für Maße und Gewichte ZIEL: unabhängiges Einheitensystem 5
GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 6
MOTIVATION Maßeinheiten dienen zum Messen von Objekten Vergleichbarkeit Genauigkeit beschränkt durch Vergleichsstandard Alltag vs. Industrie 7
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
SI-VORSÄTZE 9
SI-VORSÄTZE 10
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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GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 3.Die 7 SI-Einheiten: Geschichte und heutige Definition 13
DAS KILOGRAMM Maß für Trägheit bzw. Schwere von Körpern Historische Definition: Masse von 1l Wasser bei 3.98 C+Normaldruck maximale Dichte 14
DAS SORGENKIND SEIT 1889 Neudefinition über das Urkilogramm 83 exakte Kopien: Deutschland (22,52,55,70) 15
DAS URKILOGRAMM Zylinder aus Platin-Iridium- Legierung(90-10) Liegt im Internationalen Büro für Gewichte und Maße Sèvres bei Paris 16
PROBLEM DES ARTEFAKTS 17
DIE NEUDEFINITION 2 Ansätze 1. Urkilogramm 2.0 Kistenprinzip über Periodische Anordnung Leitung durch PTB 18
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
DIE NEUDEFINITION 1 Kilogramm: 5,0184515 XX 10 25 12 C Teilchen N a : 6,02214179XX 10 23 1 mol 20
Die Watt-Waage Bestimmung über das Planksche Wirkungsquantum h 2. DER ALTERNATIVE WEG 21
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 = 6,626 068 96XX 10 34 Js (Joule Sekunden) 22
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 2 4 23
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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FUNKTIONSWEISE VON ATOMUHREN Quarzoszillator als Zeitgeber Prinzip der quantenhaften Absorption dient zur Korrektur 26
GENAUIGKEIT Modell: Cäsium-Fontäne Arbeitsfrequenz: 9 192,631 770 MHz Standardabweichung ~ 10 15 Entspricht: 1 Sekunde auf 20 Millionen Jahren 27
ZUKUNFT Anregung über Laserlicht optische Atomuhr Definition: Grundzustandshyperfeinaufspaltung des Zäsium-133-Atoms exakt 9 192 631 770 Hz 28
DER METER 1. Vorschlag schon 1668 Sekundenpendel Woher kommt der heutige Meter?? 10 Millionster Teil des Erdquadranten auf dem Meridian von Paris 29
Ab 1960: Definition über Wellenlänge des Lichts DER METER Endgültige Festlegung 1983: Strecke, die Licht in einer 299 792 458stel Sekunde im Vakuum zurücklegt 30
EINE WEITERE PROBLEMEINHEIT DAS KELVIN 1968: Festlegung über Tripelpunkt von Wasser 31
DEFINITION DER THERMODYNAMSCHICHEN TEMPERATUR Das Kelvin ist der 273,16-te Teil der Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. 32
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
DIE ABHILFE Naturkonstante: Boltzmann-Konstante k B E Th T E Th = k B T termisce Energie Temperatur in Kelvin 34
ANGESTREBTE NEUDEFINITION Boltzmann Konstante entspricht exakt k B = 1,380 650 4XX 10 23 J K 35
DIE ANSÄTZE Im Prinzip mit jedem Primärthermometer NIST: akustischer Gasthermometrie Schallgeschwindigkeit PTB: Dielektrizitätskonstanten- Gasthermometrie Kapazitätsänderung Kondensator 36
DAS AMPERE Erste Definition 1898: Stärke des Stromes, der aus einer Silbernitrat-Lösung mittels Elektrolyse in einer Sekunde 1,118 mg Silber abscheidet 37
DER HEUTIGE STAND (SEIT 1948) Unendlich lange Drähte Abstand 1m Vakuum Hervorgerufene Kraft pro Länge 2 10 7 N F 1 l F 1 = B 2 I 1 l B 2 = μ 0 I 2 2 π r = 2 10 7 N m 38
e ZÄHLEN Angestrebte Definition über Elementarladung e = 1,602 176 487XX 10 19 Coulomb Drehtürprinzip: Ein e -pro Takt! 100 Millionen Takte lang!! I = e τ mit τ als Taktdauer 39
DIE LICHTSTÄRKE Definiert über das Candela ( Lichtstrom Raumwinkel ) Früher: 1. Flammennormale 2. Glühendes Metall 40
HELLEMPFINDLICHKEIT DES AUGES 1 Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges V(λ) 0 400nm 700nm 41
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
HEUTIGE DEFINITION DES CANDELAS: Gerichtete Lichtstärke(Candela) Monochromatische Strahlung der Frequenz 540 10 12 Hertz Strahlungsintensität 1 683 Watt Steradiant Sensor: genormte spektrale Empfindlichkeitsverteilung (photometrisch) 43
GLIEDERUNG 1.Geschichte 2.Motivation 3.Die 7 SI-Einheiten: Geschichte und heutige Definition 4.Die Generalkonferenz 44
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
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
VIELEN DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT Quellen: 1.Das internationale Einheitensystem.Ptb-Mitteilungen 09/2011, auf www.ptb.de. 2. Robert Wynands und Ernst O. Göbel, Die Zukunft von Kilogrammund Co., Spektrum der Wissenschaft, März 2010, S.34-41 47