Forskere udvikler en ny balance for det nye kilogram

Technische Universität Ilmenau og Physikalisch-Technische Bundesanstalt (det nationale metrologiinstitut i Tyskland) er ved at udvikle en balance, som er nødvendig for at måle det omdefinerede kilogram, der vil blive introduceret i 2018. Kaldet Planck-balancen, denne meget præcise elektroniske vægt er ikke baseret på vægte, men henviser til den fundamentale fysiske konstant kaldet Plancks konstant. Vægten vil blive brugt over hele verden til at kalibrere andre vægte eller vægte, så de svarer til systemet med denne nye metode. Den nye vægt vil også blive brugt i industrien til måling af vægte.

I mange sektorer, der er en betydelig efterspørgsel efter meget præcise balancer, herunder farmaceutiske virksomheder til præcis dosering af medicinske produkter, i officielle metrologiservicelaboratorier til kalibrering af vægte til fødevarer, og i politiafdelinger, til bevis for giftige stoffer og i ballistik.

Det originale kilogram, en 4 cm cylinder lavet af platin og iridium og opbevaret under tre glaskupler i et pengeskab nær Paris siden 1889, bliver lettere. Over 100 år, den har tabt 50 milliontedele af et gram. Da alle vægte på verdensplan indirekte refererer til dette unikke kilogram, de vejer alle forkert, selv om det er med minimale og ubetydelige mængder. Selvom det oprindelige kilogram bliver lettere, strukturelt identiske kopier af prototypen bruges over hele verden - hvilket betyder, at disse kopier langsomt bliver tungere i forhold til prototypen. Derfor, der kræves en ny standard, som ikke ændres og ikke kan beskadiges eller gå tabt.

I 2018, det nye kilogram vil blive vedtaget på den 26. generalkonference om vægte og mål. Det er ikke defineret af et objekt eller en fysisk masse, men ved Plancks konstante. Den meget præcise, løbende måling af Planck balance, udviklet af det tyske universitet Technische Universität Ilmenau, fungerer efter princippet om elektromagnetisk kraftkompensation. Kort fortalt, en vægt på den ene side skal afbalanceres af elektrisk kraft på den anden. Denne elektriske kraft er uløseligt forbundet med Plancks konstant og kan direkte henvises til den nye kilogram definition. Da denne balance er det første selvkalibrerende instrument af sin art, Masser bestemt som reference- eller standardmasser til kalibrering af vægte og vægte er ikke længere påkrævet. En anden fordel ved Planck-vægten er dens brede måleområde, fra milligram til et kilogram. I slutningen af ​​året, den første prototype af vægten vil være tilgængelig og klar til brug.

Viden opnået i løbet af det sidste årti på grundlag af udviklingen af ​​den såkaldte 1-kg-prototype massekomparator var den direkte nøgle til forskningsarbejde inden for Planck-vægten. Denne meget præcise massekomparator bruges allerede i nationale metrologiinstitutter over hele verden til sammenligning af kilogram-prototyper.

For at omdefinere kilogrammet på basis af fysiske konstanter, to tilgange betragtes på verdensplan:Avogadro-eksperimentet, hvor i en næsten perfekt krystal, antallet af atomer blev bestemt i en kugle af isotopisk rent silicium. Den anden tilgang refererer til Watt-balancen. Svarende til Planck-balancen, den kompenserer vægtkraften af ​​en masse i Jordens gravitationsfelt med en elektromagnetisk kraft. For begge eksperimenter er Plancks konstant bestemt, således at de to tilgange mødes ved målet. Physikalisch-Technische Bundesanstalt har primært valgt siliciumsfæren, mens andre metrologiinstitutter, f.eks. U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST) og Canadian National Research Council (NRC), favorisere Watt-balancen. For i fremtiden at forsyne industrien med vægte, der opfylder begge standarder, PTB'en har sammen med TU Ilmenau udviklet Planck-vægten som den branchekompatible version af Watt-vægten.