Techniklexikon

Kilogramm

Normen und Einheiten, Einheitenzeichen kg, SI-Basiseinheit der Masse mit folgender Definition (1889 / 1901): Das Kilogramm ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps. Definition und Darstellung der Einheit Kilogramm sind also an einen bestimmten Körper gebunden; demzufolge lässt sich die Masseneinheit nie genauer weitergeben, als der Massevergleich mit dem Internationalen Prototyp zulässt (relative Unsicherheit besser als 10^-8). Hieraus erklärt sich der hierarchische Aufbau der Massenormale, an deren Spitze das Internationale Kilogrammprototyp steht. Die genaueste Prototypwaage zum Anschluss der Hauptnormale an die nationalen Kilogrammprototypen ist eine elektromagnetisch kompensierte, gleicharmige Balkenwaage, mit der sich in Luft eine relative Standardabweichung von 5 × 10^-11, im Vakuum von 4 × 10^-12 erreichen lässt. Für den Vergleich zweier Massenormale gleicher Dichte erreicht man bestenfalls eine Standardabweichung von 5 × 10^-11 kg.

Es gibt mehrere Ansätze, die Masseeinheit auf Fundamentalkonstanten zurückzuführen, die jedoch allesamt den messtechnischen Präzisionsanforderungen noch nicht genügen. Im klassischen Stromwaagen-Experiment wird das Kilogramm über elektrostatische Kräfte mit Hilfe des Josephson-Effektes und des Quanten-Hall-Effektes auf die Elementarladung zurückgeführt. Das Avogadro-Experiment nutzt aus, dass das Kilogramm mit dem Mol verknüpft ist (ein kg ist das (N_A kmol^-1 / 12)-fache der Masse eines Atoms des Nuklids ¹²C); damit lässt sich die Masseneinheit aus der Avogadro-Konstante N_A ableiten, die man beispielsweise aus der Dichte, den Gitterparametern und der makroskopischen Masse eines Silicium-Einkristalls bestimmen kann. Eine dritte z.B. an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) verfolgte Methode sieht vor, die Ionen eines Ionenstrahls (beispielsweise Goldionen) im Vakuum zu einer wägbaren Masse zu akkumulieren. Zu ihrer elektrischen Neutralisierung ist ein Strom erforderlich, dessen genaue Stärke sich wiederum mit Hilfe des Josephson-Effekts und des Quanten-Hall-Effekts auf die Elementarladung zurückführen lässt. Auf diese Weise kann man die Masse durch Zeit- und elektrische Messungen bestimmen.

In den USA verfolgt man den Ansatz, das Kilogramm mit Hilfe der Watt-Waage mit dem Planckschen Wirkungsquantum h zu verknüpfen, indem man eine Spule im Magnetfeld bewegt und den Quotienten aus elektrischer und mechanischer Leistung bestimmt. Stellt man die elektrischen Grössen mit Hilfe von Josephson- und Quanten-Hall-Effekt dar, so ist die Leistung proportional zu h.

Kilogramm: Kilogrammprototyp-Waage mit evakuierbarem Gehäuse.