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Internationale Masseinheiten Neue Definitionen für unsere Masseinheiten 2018
26. CGPM Meeting 2018 Beschlüsse der Generalkonferenz für Mass und Gewicht 2018
Das Bundesamt für Metrologie (METAS) 2012
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Naturwissenschaften und Technik
Masseinheiten im Internationalen Einheitensystem (SI)
Naturkonstanten statt Urkilogramm

Neue Definitionen für unsere Masseinheiten

Die Einheiten, mit denen wir messen, wie Kilogramm oder Ampère, erhalten neue Definitionen. In Zukunft werden alle Einheiten mit Hilfe von Naturkonstanten definiert - auch das Kilogramm, das bis jetzt noch durch ein verkörpertes Referenzmass, das sogenannte Urkilogramm in Paris, definiert war. Das ist an der Conférence générale des poids et mesures in Paris beschlossen worden.

Ein Kilogramm ist überall ein Kilogramm - für uns ist das heute selbstverständlich. Eingeführt wurden internationale Masseinheiten mit dem Metervertrag von 1875. Er bildet die Grundlage für das Internationale Einheitensystem (SI) mit Einheiten, wie Meter, Kilogramm oder Sekunde. Das SI ist die heute weltweit verbindliche Basis für das Messen.

Naturkonstanten als Mass aller Dinge

Wissenschaftlich-technische Entwicklungen können mit der Zeit zu neuen Anforderungen führen, an die das Einheitensystem angepasst werden muss. An der 26. Conférence générale des poids et mesures in Versailles sind neue Definitionen für die Einheiten des Internationalen Einheitensystems beschlossen worden.

Künftig werden unsere Masseinheiten auf physikalische Naturkonstanten abgestützt.

Das gilt auch für das Kilogramm, das in Zukunft nicht mehr durch den Internationalen Kilogrammprototyp (Urkilogramm) in Paris definiert wird, sondern durch physikalische Naturkonstanten. Damit ist die Einheit Kilogramm, wie andere Einheiten auch, nicht mehr von einem lokalen Referenzmass abhängig, sondern universal definiert.

Der Bezug auf Naturkonstanten macht die Einheiten unabhängig von verkörperten Referenzmassen und präzis vorgeschriebenen Realisierungsanweisungen. Neue physikalische Erkenntnisse oder neue Techniken werden in Zukunft eine genauere Realisierung von Einheiten zulassen, ohne dass die Definitionen abgeändert werden müssen. Bessere Einheiten erlauben genauere Messungen und sind damit Voraussetzung für wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt auf verschiedensten Gebieten. In diesem Sinn stellt die jetzt beschlossene Revision eine grundlegende Änderung des Einheitensystems dar. Natürlich wurde darauf geachtet, dass sich beim Übergang vom alten zum revidierten System im Alltag nichts ändert - im Alltag wird ein Kilogramm ein Kilogramm bleiben. Die neue Definition des Kilogramms wird jedoch die Grenzen des Machbaren verschieben, da die Einheit viel stabiler sein wird und sich die Genauigkeit von Massebestimmungen parallel zum technischen Fortschritt verbessern wird.

International abgestimmte messtechnische Infrastruktur

Mit dem Metervertrag wurde nicht nur die Grundlage für das Internationale Einheitensystem (SI) geschaffen, sondern auch eine international abgestimmte messtechnische Infrastruktur. Zur Organisation des Metervertrags gehören unter anderem die Conférence générale des poids et mesures und das Bureau International des poids et mesures in Paris, die Geschäftsstelle und Forschungsinstitution des Metervertrags. In den einzelnen Staaten gibt es die nationalen Metrologieinstitute, die an der Spitze der Messgenauigkeit ihres Landes stehen - in der Schweiz das Eidgenössische Institut für Metrologie (METAS). Mit der Zusammenarbeit zwischen dem METAS, anderen nationalen Metrologieinstituten und den Organen des internationalen Metervertrags kann sichergestellt werden, dass die Referenzmasse der Schweiz international anerkannt sind und mit der erforderlichen Genauigkeit zur Verfügung stehen.

Quelle: Text Bundesamt für Metrologie METAS , 16. November 2018
Physikalische Einheiten werden jeweils an der Generalkonferenz für Mass und Gewicht CGPM in Versailles (Frankreich) festgelegt und definiert. Die international gültigen SI-Einheiten werden durch das BIPM (= Bureau International des Poids et Mesures) verwaltet.

Einige physikalische Einheiten lassen sich auf Naturkonstanten zurückführen. Allerdings müssen die von der Natur vorgegebenen Konstanten immer wieder angepasst werden. Die Anpassungen haben Auswirkungen auf jene Einheiten, bei denen die geänderten Naturkonstanten für deren Definition verwendet wurde.

Die Werte für u.a. die Elementarladung eine Elektrons oder die Avogadro-Konstante wurden in der Vergangenheit immer wieder im Bereich der hinteren Dezimalstellen geändert.

Ein besonderer Fall stellt die Grundeinheit Kilogramm dar, welche mit dem Urkilogramm (einem Körper aus Iridium) festgelegt wurde. Messungen mit hochpräzisen Messgeräten haben nur ergeben, dass sich die Massen der Kopien dieses Urkilogrammsunterschiedlich entwickelt haben.

Die Generalkonferenz für Mass und Gewicht möchten nun für 7 Naturkonstanten einen festen Wert mit je einer neuen Definition festlegen. Bei der Definition von SI-Einheiten, welche eine dieser 7 Naturkonstanten verwenden, ergeben sich folglich auch Änderungen.

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Energieumwandlungsprozesse

Das Internationale Einheitensystem1 (SI), das auf den Basiseinheiten Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela beruht, wird momentan überarbeitet, um die Definitionen von vier dieser Einheiten zu aktualisieren.

Im November 2018 werden voraussichtlich die überarbeiteten Definitionen von Kilogramm, Ampère, Kelvin und Mol von der Generalkonferenz für Mass und Gewicht (CGPM) - der höchsten Autorität in der internationalen Metrologie - verabschiedet. Es ist geplant, dass diese überarbeiteten Definitionen am 20. Mai 2019 in Kraft treten werden.

Die überarbeiteten Definitionen werden auf sieben physikalischen Konstanten basieren (u. a. der Lichtgeschwindigkeit, der Planck'schen Konstante und der Avogadro-Konstante) und werden daher prinzipiell stabil sein. Allen technologischen Neuerungen, die zu besseren Realisierungen der Einheiten führen würden, stehen die Definitionen offen gegenüber; Anpassungen in den Definitionen werden nicht nötig sein. Eine solche Überarbeitung des SI war in Resolutionen der CGPM aus den Jahren 2011 und 20142,3 vorgesehen. Weitere in diesen Resolutionen enthaltene Anforderungen werden bei den vier betreffenden Definitionen für einen glatten Übergang sorgen. Die meisten Anwender werden die Änderung im SI-System nicht bemerken. Eine neue Ausgabe der SI-Broschüre1 wird die Anwender mit den notwendigen Informationen versorgen. Diese Broschüre wird zusammen mit Hinweisen zur praktischen Darstellung der Einheiten veröffentlicht, sobald die überarbeiteten Definitionen formell verabschiedet worden sind 4-8.

Im Folgenden sind Informationen zu möglichen Auswirkungen auf die verschiedenen Bereicheder Messtechnik aufgeführt:

Das Kilogramm wird auf der Basis der Planck'schen Konstante definiert, wodurch die Langzeitstabilität der SI-Masseskala gewährleistet ist. Das Kilogramm kann dann mit jedem geeigneten Verfahren, z. B. durch die Wattwaage oder das Avogadro-Verfahren (auch genannt: XRCD-Verfahren, X-Ray Crystal Density Method), dargestellt werden. Die Rückführung auf das SI erfolgt für die Anwender wie bisher (über das BIPM, über die nationalen Metrologieinstitute und über akkreditierte Laboratorien). Die Konsistenz dieser Rückführungswege wird durch Vergleichsmessungen gewährleistet. Der Wert der Planck'schen Konstante wird so gewählt, dass das SI-Kilogramm zum Zeitpunkt der Neudefinition keine Änderung erfährt. Die Unsicherheiten, die die NMIs ihren Kunden bei der Kalibrierung bieten, werden ebenfalls weitgehend unberührt bleiben.
Das Ampère und weitere elektrische Einheiten, die praktisch auf höchstem metrologischen Niveau dargestellt werden (vor allem das Volt und das Ohm), werden völlig konsistent mit den Definitionen dieser Einheiten werden. Der Übergang von der Konvention von 1990 zum überarbeiteten SI wird zu kleinen Änderungen aller weitergegebenen elektrischen Einheiten führen. DerGrossteil der Anwender in der Messtechnik wird jedoch keine weiteren Anpassungen vornehmen müssen, da sich das Volt lediglich um etwa 0,1 ppm verändern wird und das Ohm noch geringere Änderungen erfährt. Es kann lediglich notwendig sein, dass Anwender, die auf höchstem metrologischen Genauigkeitsniveau arbeiten, die Werte ihrer Normale anpassen und ihre Messunsicherheitsbudgets überprüfen müssen.

Die Neudefinition des Kelvins wird keine unmittelbaren Auswirkungen auf Temperaturmessungen oder auf die Rückführung von Temperaturmessungen haben und wird für die meisten Anwender unbemerkt bleiben. Diese Neudefinition schafft die Voraussetzungen für zukünftige Verbesserungen. Eine Definition, die frei von jeglichen materiellen und technologischen Einschränkungen ist, erlaubt die Entwicklung neuer und genauerer Techniken, um die Rückführung von Temperaturmessungen (vor allem bei extremen Temperaturen) auf das SI zu gewährleisten. Nach der Neudefinition werden die Hinweise zur praktischen Darstellung des Kelvins die internationale Weitergabe unterstützen. Dies wird erreicht durch die Beschreibung primärer Verfahren zur Messung der thermodynamischen Temperatur und gleichermassen durch die definierten ITS-90- und PLTS-2000-Skalen.

Das Mol wird in Bezug auf eine spezifische Anzahl von Teilchen (typischerweise von Atomen oder Molekülen) definiert und wird nicht mehr von der Einheit der Masse, dem Kilogramm, abhängig sein. Für die Rückführung auf das Mol können weiterhin alle früheren Ansätze verwendet werden, einschliesslich (jedoch nicht ausschliesslich) durch Verwendung von Massemessungen zusammen mit Tabellen der atomaren Massen und der atomaren Massekonstante Mu. Atomare Massen werden von dieser Änderung der Definition nicht tangiert, und Mu wird weiterhin 1 g/mol betragen, wobei es jetzt mit einer Messunsicherheit versehen wird. Diese Unsicherheit wird jedoch so klein sein, dass die überarbeitete Definition des Mols keine Änderung der alltäglichen Praxis nach sich ziehen wird.

Die überarbeiteten Definitionen des Kilogramms, des Amperes, des Kelvins und des Mols werden keinerlei Auswirkungen auf die Sekunde, den Meter und die Candela haben.

Die Sekunde wird weiterhin über die Hyperfeinstruktur-Übergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms definiert werden. Die Rückführungskette auf die Sekunde wird nicht beeinflusst. Die Messung von Zeit und Frequenz wird nicht beeinträchtigt.
Der Meter im neuen SI wird weiterhin auf Basis der Lichtgeschwindigkeit - einer der physikalischen Fundamentalkonstanten - definiert werden. Die dimensionale Messtechnik wird in der Praxis gar nicht beeinflusst. Sie wird jedoch von der verbesserten Langzeitstabilität des Systems profitieren.

Die Candela wird weiterhin in Bezug auf Kcd - eine technische Konstante der Photometrie - definiert und wird daher weiterhin an das Watt gekoppelt sein. Die Rückführung auf die Candela wird weiterhin mit derselben Messunsicherheit anhand radiometrischer Methoden erfolgen, die auf absolut kalibrierten Detektoren basieren.

Seit seiner formellen Verabschiedung durch die Generalkonferenz (CGPM) im Jahre 1960 wurde das SI mehrmals überarbeitet. Die Neudefinition von vier Basiseinheiten auf einmal ist jedoch ein Novum, das weltweit gleichzeitige Kooperationen in den verschiedensten Bereichen der Metrologie erforderte. Wie bei früheren Änderungen am SI wurde auch heute darauf geachtet, dass diese Definitionsänderungen keinen merklichen Einfluss auf den Alltag haben und dass Messungen, die auf den früheren Definitionen der Einheiten basieren, innerhalb ihrer Messunsicherheiten ihre Gültigkeit behalten. Anwender ausserhalb der nationalen Metrologieinstitute werden kaum den Unterschied merken. Das Erreichen der experimentellen Genauigkeiten und die Erfüllung der in den Resolutionen der CGPM festgelegten Bedingungen waren eine bemerkenswerte Leistung, sodass das SI weiterhin die Bedürfnisse selbst der anspruchsvollsten Anwender erfüllen wird.
1. https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/publikationen/ptb_mitteilungen/mitt2007/ Heft2/PTB-Mitteilungen_2007_Heft_2.pdf
2. http://www.bipm.org/en/CGPM/db/24/1/
3. http://www.bipm.org/en/CGPM/db/25/1/
4. http://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/
5. http://www.bipm.org/cc/CCM/Allowed/15/02A_MeP_kg_141022_v-9.0_clean.pdf
6. http://www.bipm.org/cc/CCEM/Allowed/26/CCEM-09-05.pdf
7. http://www.bipm.org/cc/CCT/.../MeP-K-14_DRAFT_Dec_2015.pdf
8. http://www.bipm.org/cc/CCQM/Allowed/22/CCQM16-04_Mole_m_en_p_draft.pdf
Quelle: Text Bureau International des Poids et Mesures BIPM, 2017
26. CGPM Meeting 2018 2018
Beschlüsse der Generalkonferenz für Mass und Gewicht

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Das Bundesamt für Metrologie (METAS)

Aus dem Bundesamt für Metrologie (METAS) wird per 1. Januar 2013 das Eidgenössische Institut für Metrologie, also eine öffentlich-rechtliche Anstalt mit eigener Rechnung. Der Bundesrat hat nun die Mitglieder des Institutsrats gewählt. Damit sind die Organe für das neue Institut bestimmt: Der Institutsrat und dessen Präsidentin, die Revisionsstelle und der Direktor.

Das Bundesamt für Metrologie (METAS) wird am 1. Januar 2013 zum Eidgenössischen Institut für Metrologie. Auf diesen Zeitpunkt hin wird das Bundesamt in eine öffentlich-rechtliche Anstalt mit eigener Rechnung überführt. Mit dem neuen Bundesgesetz über das Messwesen (Messgesetz) sowie dem Bundesgesetz über das Eidgenössische Institut für Metrologie (Institutsgesetz) wurden die Voraussetzungen dafür geschaffen. Mess- und Institutsgesetz werden am 1. Januar 2013 vollständig in Kraft treten.

Quelle: Text Der Bundesrat und Eidgenössisches Justiz- und Polizeidepartement EJPD , 19. März 2012

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