17 feb. 1999
3 minuten
Recent onderzoek, gepubliceerd door het Engelse National Physical Laboratory (NPL), brengt het aanpassen van de internationale definitie van de kilogram een flinke stap dichterbij. De standaard is nu een cilindertje van platina en iridium dat wordt bewaard in Parijs.
NPL komt met een technologie die het mogelijk maakt om de constante van Planck zeer nauwkeurig te meten – en dat is het ontbrekende stukje in de puzzel die moet worden opgelost om over te gaan van een fysieke standaard naar een kilogram die is gebaseerd op fundamentele natuurconstanten. De technieken zijn beschreven in een artikel in het tijdschrift Metrologia.
Het internationale eenhedenstelsel (SI) is het meest gebruikte stelsel voor commercie en wetenschap. Het telt zeven basiseenheden (meter, kilogram, seconde, Kelvin, ampère, mol en candela). In het ideale geval zijn deze eenheden stabiel en universeel reproduceerbaar. De kilogram is de enige eenheid die nog wordt gedefinieerd met een fysiek voorwerp.
Nieuwe definitie
In oktober 2011 werd op de General Conference on Weights and Measures (CGPM) overeengekomen dat de kilogram zou moeten worden geherdefinieerd op basis van de constante van Planck (h). Een definitieve beslissing werd uitgesteld totdat er voldoende consistente en nauwkeurige gegevens zijn om overeenstemming te krijgen over de waarde van h. Het artikel in Metrologia beschrijft hoe dit met de gewenste zekerheid kan worden gedaan. Er wordt een gemeten waarde van h gegeven en een uitgebreide analyse van mogelijke onzekerheden die tijdens de experimenten kunnen optreden. Hoewel deze resultaten op zich niet voldoende zijn, zullen consistente resultaten van andere meetinstituten die de beschreven technieken en technologie gebruiken, een nog nauwkeuriger consensuswaarde opleveren. Mogelijk kan de wereld dan al in 2014 overgaan op een nieuwe manier om massa te meten.
Meten met de wattbalans
De constante van Planck is een fundamentele natuurconstante die het verband aangeeft tussen de frequentie (kleur) en de energie van een lichtdeeltje (een foton). Door twee kwantummechanische effecten te gebruiken die de laatste jaren zijn ontdekt – het Josephson effect en het kwantum Hall-effect – kan elektriscn vermogen worden uitgedrukt in de constante van Planck (en tijd).
Met de wattbalans, een instrument dat in 1975 werd geïntroduceerd door Brian Kibble van het National Physical Laboratory, kan de relatie worden bepaald tussen mechanisch en elektrisch vermogen. Dat maakt het mogelijk om de constante van Planck heel nauwkeurig te meten en uit te drukken in de SI-eenheden voor massa, lengte en tijd. De eenheden voor lengte en tijd zijn al vastgelegd in fundamentele en atomaire constanten. Als de waarde van h is vastgelegd, kan de wattbalans worden gebruikt om massa te meten.
Luidspreker
Dr. Ian Robinson, die het project op het National Physical Laboratory leidt, legt uit hoe de wattbalans werkt. "De wattbalans voert een meting uit in twee delen. Het meetprincipe kan worden vergeleken met een luidpreker die op zijn achterkant ligt. Als op de conus een massa wordt geplaatst zal hij naar beneden worden gedrukt. Hij kan weer in zijn oude toestand terug worden gebracht door een stroom door de spreekspoel te laten lopen. De sterkte van de kracht die wordt opgewekt is kenmerkend voor deze specifieke luidsprekerspoel en magneet, en daarom is een tweede experiment nodig. Daarbij wordt de conus bewogen en wordt de verhouding gemeten tussen de geproduceerde spanning op de luidsprekeraansluitingen en de snelheid van de conus."
"Als het resultaat van beide delen van het experiment wordt gecombineerd, wordt het product van spanning en stroom (het vermogen) gelijk gesteld aan het product van gewicht en snelheid (mechanisch vermogen) en zijn de eigenschappen van luidsprekerspoel en magneet geëlimineerd. Over blijft dan een meting van het gewicht van de massa, die onafhankelijk is van de gebruikte luidspreker."
Metingen vergelijken
Metingen van h met de wattbalans geven onzekerheden die het niveau van 0,02 ppm benaderen en dat is nodig om de kilogram te baseren op de constante van Planck. De National Research Council in Canada en het Amerikaanse meetinstituut NIST heben al dergelijke metingen met de wattbalans uitgevoerd. Er zijn kleine verschillen in de resultaten en die worden nu onderzocht. Als uiteindelijk consistente resultaten worden gevonden is dat het begin van het einde voor de fysieke kilogramstandaard.
Een kilogram op Planck-basis zou een universele standaard zijn die overal en altijd kan worden gereproduceerd. Hij biedt ook meer zekerheid voor de lange termijn, voor wetenschappers die vertrouwen op het SI-stelsel voor nauwkeurige metingen of voor h zelf.
Anderen lazen ook
