Volume 87, Issue 4 - Das erneuerte Internationale Einheitensystem (SI) / Gastherausgeber: Klaus-Dieter Sommer, Thomas Fröhlich, Frank Härtig

Zusammenfassung Aufgrund der im bisherigen Internationalen Einheitensystem (SI) vorhandenen Limitierungen durch Materialabhängigkeiten der Definitionen einiger Basiseinheiten wurde eine Revision des SI vorgeschlagen und verabschiedet, die am 20. Mai 2019 in Kraft trat. Diese folgt dem Beispiel der Definition der Längeneinheit von 1983, nämlich der Definition einer Einheit durch die Festlegung des numerischen Wertes einer Naturkonstanten – ohne Unsicherheit. Im Fall der Längeneinheit war dies der Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: c=299792458m/sc=299\hspace{0.1667em}792\hspace{0.1667em}458\hspace{0.1667em}\text{m}/\text{s}. Im Beitrag wird kurz auf die Hintergründe der Revision des SI eingegangen. Insbesondere wird aufgezeigt, wie Fortschritte in der Präzisionsfertigung und der dimensionellen Präzisionsmetrologie es ermöglichten, eine für die Revision hinreichende Übereinstimmung verschiedener Experimente mit den geforderten Messunsicherheiten für die definierenden Konstanten h , NA{N_{A}}, k und e zu erreichen. Das neue SI bietet ein höheres Maß an Konsistenz in den Definitionen sowie an Flexibilität in der Realisierung und Weitergabe der Einheiten mit größtmöglicher Kontinuität zum bisherigen SI. Es wird zudem auf die Überarbeitung der mise en pratique für den Meter im Rahmen der Revision des SI eingegangen, welche das kristalline Silicium-Gitter als sekundäre Realisierung des Meters für Messungen im Nanometerbereich beinhaltet.

Zusammenfassung Am 20. Mai 2019 hat die Generalkonferenz für Maße und Gewichte die Definition zur Darstellung der Einheiten grundlegend erneut. Die Einheit Kilogramm des Internationalen Einheitensystems (SI) stand besonders im Fokus, da vermutet wurde, dass sich die Masse des Internationalen Kilogramm Prototyps (IPK) über die Zeit ändert. Wie auch andere SI-Einheiten wird das Kilogramm nun nicht mehr durch einen weltweit einzigen physikalischen Körper dargestellt, sondern über physikalische Konstante. Auswirkungen auf industrielle oder gesellschaftliche Anwendungen hat die neue Definition nicht, auch wenn sich die Genauigkeit der nationalen Massenormale etwas verschlechtert hat. Die Chancen liegen dagegen in der Vielfalt, mit der das Kilogramm künftig dargestellt werden kann. Grundlage für die neue Realisierung bilden derzeit zwei Experimente, die „Kibble-Waage“ (Kibble-Balance: KB) und die „X-Ray Crystal Density Method“ (XRCD-Methode). Letztere basiert auf Kugeln aus monokristallinem isotopenangereichertem Silizium. Systematische Abweichungen zwischen den beiden Experimenten zeigen, dass eine dreistufige Übergangsphase notwendig ist, um die grundlegende Stabilität für die Weitergabe der Größe Masse zu gewährleisten. Der IPK und ein sogenannter Consensus Value (CV) spielen dabei eine besondere Rolle. Die gute Handhabbarkeit und Stabilität von Silizium haben dazu geführt, dass die in der XRCD-Methode verwendeten Siliziumkugeln in ihrer natürlichen Isotopenzusammensetzung auch als sehr stabile Massenormale eingesetzt werden.

Zusammenfassung Im November 2018 trat die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (General Conference on Weights and Measures, CGPM), die höchste Instanz der Meterkonvention, zu ihrem 26. Treffen zusammen, um die Revision des Internationalen Einheitensystems (SI) zu beschließen. Die SI-Basiseinheit der Stoffmenge n , das Mol, wird nun über die Avogadro-Konstante NA=6.02214076×1023mol{N_{\mathrm{A}}}=6.022\hspace{0.1667em}140\hspace{0.1667em}76\times {10^{23}}\hspace{0.1667em}\text{mol} definiert. Der Wert von NA{N_{\mathrm{A}}} wurde ohne Messunsicherheit festgelegt. Diese Revision trat am 20. Mai 2019 in Kraft. Bislang war das Mol über die Masse von 12 g des 12 C-Isotops definiert und daher mit einer weiteren SI-Einheit, dem Kilogramm, verknüpft. Dieser Artikel beschreibt die Hintergründe, die Vorteile, die Motivation, die Realisierung ( Mise en Pratique ) und Weitergabe des Mol sowie die Änderungen nach der Revision. Die derzeit beste Methode der Realisierung und Weitergabe, die X-ray-crystal density (XRCD) Methode (Zählen der Si-Atome in einer Kugel aus hinsichtlich 28 Si angereichertem Silicium) wird kurz beschrieben. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Bestimmung der molaren Masse dieses Materials gelegt, die wohl die Größe mit der kleinsten Messunsicherheit in der Chemie darstellt. Die durch die Revision verursachten Änderungen für den Alltag des Chemikers werden mit Beispielen verdeutlicht, um ein besseres Verständnis in Lehre und industrieller Praxis zu vermitteln.

The revision of the International System of Units (SI), implemented since 20 May 2019, has redefined the unit of electric current, the ampere ( A), linking it to a fixed value of the elementary charge. This paper discusses the new definition and the realisation of the electrical units by quantum electrical metrology standards, which every year become more and more accessible, reliable and user friendly.

Zusammenfassung Seit dem 20. Mai 2019 ist die Temperatureinheit Kelvin nicht mehr über den Wert der Temperatur des Wassertripelpunkts definiert, sondern durch Festlegung des Wertes der Boltzmann-Konstante (k=1,380649×10−23J/Kk=1,380649\times {10^{-23}}\hspace{0.1667em}\text{J/K}). Hierdurch sind mechanische und thermische Energie direkt miteinander verknüpft, was physikalisch einen prinzipiellen Fortschritt darstellt. Die neue Definition ist allerdings sehr abstrakt, denn es gibt keinen Bezug zu Vorschriften für die Darstellung der Einheit. Praktische Anleitungen („ Mise en Pratique “) wurden deshalb von internationalen Gremien ausgearbeitet. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Primärthermometrie, die direkt auf den Gesetzen der Thermodynamik basiert. Die Neudefinition tangiert aber nicht die Rolle der Internationalen Temperaturskalen, so dass sich am bewährten gestaffelten System rückgeführter Temperaturmessungen nichts ändert.

Zusammenfassung Seit dem 20. Mai 2019 gilt das neue Internationale Einheitensystem SI. Dies stellt eine Zäsur in der Geschichte der Einheiten dar, denn von nun an sind alle 7 Basiseinheiten durch Fundamentalkonstanten definiert. Gerade für die Masse und die daraus abgeleiteten Größen hat das weitreichende Folgen. Das Urkilogramm ist jetzt nur noch ein normales 1 kg-Wägestück. Der Gewinn aber ist enorm. Das Kilogramm lässt sich zukünftig für jeden Massewert darstellen und muss nicht mehr auf das Urkilogramm rückgeführt werden. Da die Kraft bislang über die Masse rückgeführt wurde, öffnen sich aber auch deren Definition neue Wege. In diesem Artikel soll beschrieben werden, wie die prinzipiellen Realisierungen des Kilogramms über die Kibble-Waage und die Röntgenkristalldichtemessungen (XRCD-Methode, oder auf Englisch X-ray-crystal-density method) funktionieren und welche Ideen für die Kraft-Messung bereits umgesetzt wurden.

Technoscience is a result of integration of technology with empirical sciences, including not only physical sciences, but also life sciences, social sciences and cognitive sciences. Further development of technoscience is unthinkable without extensive use of measurement and mathematical modelling, being two interrelated operations used for acquisition and representation of knowledge. Measurement fundamentals must, therefore, belong to the core of methodological instruction of young researchers in the domain of technoscience. This paper provides an outline of a sought-for discipline-independent programme of such formation, including a conceptual analysis of the key elements of the scientific method, with particular emphasis on the dialectical relationship between measurement and mathematical modelling, on the role of measurement in scientific prediction and explanation, on the role of measurement in the context of discovery and in the context of justification, as well as on the role of measurement in mitigating uncertainty of scientific knowledge.