Alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms - Alternative approaches to redefining the kilogram
Die wissenschaftliche Gemeinschaft prüfte mehrere alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms, bevor sie sich im November 2018 für eine Neudefinition der SI-Basiseinheiten entschied. Jeder Ansatz hatte Vor- und Nachteile.
Vor der Neudefinition wurden das Kilogramm und mehrere andere auf dem Kilogramm basierende SI-Einheiten durch ein künstliches Metallobjekt definiert, das als internationaler Prototyp des Kilogramms (IPK) bezeichnet wird. Es herrschte breite Übereinstimmung darüber, dass die ältere Definition des Kilogramms ersetzt werden sollte.
Das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) hat im November 2018 einer Neudefinition der SI-Basiseinheiten zugestimmt, die das Kilogramm definiert, indem die Planck-Konstante genau definiert wird6.626 070 15 × 10 −34 kg⋅m 2 ⋅s −1 . Dieser Ansatz definiert das Kilogramm effektiv in Sekunden und im Meter und trat am 20. Mai 2019 in Kraft.
1960 wurde das Meter, das zuvor in ähnlicher Weise anhand eines einzelnen Platin-Iridium-Stabs mit zwei Markierungen darauf definiert wurde, in Bezug auf eine unveränderliche physikalische Konstante (die Wellenlänge einer bestimmten von Krypton emittierten Lichtemission und später) neu definiert die Lichtgeschwindigkeit ) , so dass der Standard kann unabhängig durch Anschluss an eine schriftliche Beschreibung in verschiedenen Labors reproduziert werden.
Auf der 94. Tagung des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht (CIPM) im Jahr 2005 wurde empfohlen, dasselbe mit dem Kilogramm zu tun.
Im Oktober 2010 stimmte die CIPM eine Resolution zur Behandlung auf der einreichen Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM), auf „zur Kenntnis nimmt eine Absicht“ , dass das Kilogramm in Bezug auf das definiert wird konstant Planck , h (die Dimensionen Energie mal Zeit) zusammen mit anderen physikalischen Konstanten. Diese Resolution wurde von der 24. Konferenz der CGPM im Oktober 2011 angenommen und auf der 25. Konferenz im Jahr 2014 weiter erörtert. Obwohl der Ausschuss anerkennte, dass erhebliche Fortschritte erzielt wurden, kam er zu dem Schluss, dass die Daten noch nicht ausreichend belastbar erschienen, um die überarbeitete Definition, und diese Arbeiten sollten weiterhin die Verabschiedung auf der für 2018 geplanten 26. Sitzung ermöglichen. Eine solche Definition würde es theoretisch erlauben, jedes Gerät zu verwenden, das in der Lage ist, das Kilogramm in Bezug auf die Planck-Konstante abzugrenzen, solange es genügend besitzt Präzision, Genauigkeit und Stabilität. Die Kibble-Balance ist eine Möglichkeit, dies zu tun.
Im Rahmen dieses Projektes wurden über viele Jahre eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Technologien und Ansätze betrachtet und erforscht. Einige dieser Ansätze basierten auf Geräten und Verfahren, die die reproduzierbare Herstellung neuer Prototypen im Kilogramm-Massebereich nach Bedarf mit Messtechniken und Materialeigenschaften ermöglicht hätten, die letztlich auf physikalischen Konstanten basieren oder auf diese zurückführbar sind. Andere basierten auf Geräten, die entweder die Beschleunigung oder das Gewicht handabgestimmter Kilogramm-Testmassen maßen und deren Größen über spezielle Komponenten elektrisch ausdrückten, die eine Rückführung auf physikalische Konstanten ermöglichen. Solche Ansätze beruhen auf der Umrechnung einer Gewichtsmessung in eine Masse und erfordern daher die genaue Messung der Schwerkraft im Labor. Alle Ansätze hätten eine oder mehrere Naturkonstanten genau auf einen definierten Wert festgelegt.
Kroketten-Balance
Die Kibble Balance (als „Watt - Balance“ vor 2016 bekannt) ist im Wesentlichen eine einarmige Waage , dass die Maßnahmen die elektrische Leistung erforderlich , um das Gewicht von einem Kilogramm Testmasse zu widersetzen , wie es durch die Erdanziehungskraft gezogen wird. Es ist eine Variation einer Amperewaage mit einem zusätzlichen Kalibrierungsschritt, der den Einfluss der Geometrie eliminiert. Das elektrische Potenzial in der Kibble-Waage wird durch einen Josephson-Spannungsstandard abgegrenzt , der es ermöglicht, die Spannung mit extrem hoher Präzision und Stabilität mit einer unveränderlichen Naturkonstanten zu verknüpfen. Seine Schaltung Widerstand kalibriert gegen einen Quanten - Hall - Effekt Widerstand Standard .
Die Kibble-Waage erfordert eine hochpräzise Messung der lokalen Erdbeschleunigung g im Labor mit einem Gravimeter . Wenn beispielsweise die Höhe des Schwerpunkts des Gravimeters von der der nahegelegenen Testmasse in der Kibble-Waage abweicht, kompensiert das NIST den Gravitationsgradienten der Erde von 309 μGal pro Meter, was das Gewicht einer ein Kilogramm schweren Testmasse um etwa . beeinflusst 316 μg/m.
Im April 2007 zeigte die Implementierung der Kibble-Waage durch das NIST eine kombinierte relative Standardunsicherheit (CRSU) von 36 μg. Die Kibble-Waage des britischen National Physical Laboratory wies 2007 eine CRSU von 70,3 μg auf. Diese Kibble-Waage wurde zerlegt und 2009 an das kanadische Institute for National Measurement Standards (Teil des National Research Council ) geliefert , wo die Forschung und Entwicklung mit dem Gerät fortgesetzt werden konnte .
Die Schwerkraft und die Natur der Kibble-Waage, die Testmassen gegen die lokale Erdbeschleunigung g auf und ab schwingt , werden ausgenutzt, um mechanische Leistung mit elektrischer Leistung zu vergleichen, die das Quadrat der Spannung geteilt durch den elektrischen Widerstand ist. Jedoch g variiert signifikant-um fast 1% -je nachdem , wo auf der Erdoberfläche die Messung durchgeführt wird (siehe Erdanziehung ). Es gibt auch leichte jahreszeitliche Schwankungen von g an einem Standort aufgrund von Änderungen des Grundwasserspiegels und größere halbmonatliche und tägliche Änderungen aufgrund von Gezeitenverzerrungen der Erdform, die durch Mond und Sonne verursacht werden. Obwohl g kein Begriff in der Definition des Kilogramms wäre, wäre es bei der Messung des Kilogramms entscheidend, wenn man Energie und Leistung in Beziehung setzt. Dementsprechend muss g mit mindestens ebenso großer Präzision und Genauigkeit gemessen werden wie die anderen Terme, also müssen auch Messungen von g auf fundamentale Naturkonstanten rückführbar sein. Für die genaueste Arbeiten in Masse Metrologie, g gemessen wird unter Verwendung von Masse-Tropfen absoluten Gravimeter , die ein Jod-stabilisiertes enthalten Helium-Neon - Laser - Interferometers . Der Streifensignal- , Frequenz-Sweep- Ausgang des Interferometers wird mit einer Rubidium- Atomuhr gemessen . Da diese Art von Fallgewichtsgravimetern seine Genauigkeit und Stabilität aus der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit sowie den angeborenen Eigenschaften von Helium-, Neon- und Rubidiumatomen ableitet, wird der Begriff „Schwerkraft“ in der Abgrenzung eines rein elektronischen Kilogramms wird auch an Invarianten der Natur gemessen – und das mit sehr hoher Präzision. Zum Beispiel im Keller der NIST-Anlage in Gaithersburg im Jahr 2009, als die Schwerkraft gemessen wurde, die auf Pt-10Ir-Testmassen einwirkt (die dichter und kleiner sind und einen etwas niedrigeren Schwerpunkt innerhalb der Kibble-Waage haben als Edelstahlmassen), der gemessene Wert lag typischerweise innerhalb von 8 ppb von9.801 016 44 m/s 2 .
Der Vorteil elektronischer Realisierungen wie der Kibble-Waage besteht darin, dass die Definition und Verbreitung des Kilogramms nicht mehr von der Stabilität von Kilogramm-Prototypen abhängt, die sehr sorgfältig gehandhabt und aufbewahrt werden müssen. Es befreit Physiker von der Notwendigkeit, sich auf Annahmen über die Stabilität dieser Prototypen zu verlassen. Stattdessen können handabgestimmte Massennormale mit enger Annäherung einfach gewogen und als gleich einem Kilogramm plus einem Offset-Wert dokumentiert werden. Bei der Kibble-Waage wird das Kilogramm elektrisch und durch Schwerkraft abgegrenzt , die alle auf Invarianten der Natur zurückzuführen sind; sie ist auf eine Weise definiert , die direkt auf drei fundamentale Naturkonstanten zurückzuführen ist. Die Planck-Konstante definiert das Kilogramm in Sekunden und im Meter. Durch die Festlegung der Planck-Konstanten hängt die Definition des Kilogramms zudem nur noch von den Definitionen der Sekunde und des Meters ab. Die Definition der zweiten hängt von einer einzigen definierten physikalischen Konstante ab: der Hyperfeinspaltungsfrequenz des Cäsium-133-Atoms im Grundzustand Δ ν ( 133 Cs) hfs . Der Meter hängt von der Sekunde und einer weiteren definierten physikalischen Konstante ab: der Lichtgeschwindigkeit c . Mit dieser Neudefinition des Kilogramms sind physische Objekte wie das IPK nicht mehr Bestandteil der Definition, sondern werden zu Transferstandards .
Waagen wie die Kibble-Waage erlauben auch mehr Flexibilität bei der Auswahl von Materialien mit besonders wünschenswerten Eigenschaften für Massennormale. So könnte beispielsweise Pt-10Ir weiter verwendet werden, damit das spezifische Gewicht neu hergestellter Massennormale dem der bestehenden nationalen Primär- und Kontrollnormale entspricht (≈21,55 g/ml). Dies würde die relative Unsicherheit bei Massenvergleichen in Luft verringern . Alternativ könnten ganz andere Materialien und Konstruktionen erforscht werden, mit dem Ziel, Massennormale mit größerer Stabilität herzustellen. Beispielsweise könnten Osmium- Iridium-Legierungen untersucht werden, wenn sich die Neigung von Platin zur Aufnahme von Wasserstoff (aufgrund der Katalyse von VOCs und Kohlenwasserstoff-basierten Reinigungslösungsmitteln) und atmosphärischem Quecksilber als Quellen der Instabilität erwiesen. Auch aufgedampfte, schützende keramische Beschichtungen wie Nitride konnten auf ihre Eignung zur chemischen Isolierung dieser neuen Legierungen untersucht werden.
Die Herausforderung bei Kibble-Waagen besteht nicht nur darin, ihre Unsicherheit zu reduzieren, sondern sie auch zu wirklich praktischen Kilogramm-Realisierungen zu machen. Nahezu jeder Aspekt von Kibble-Waagen und der dazugehörigen Ausrüstung erfordert eine so außerordentlich präzise und genaue, hochmoderne Technologie, dass – anders als ein Gerät wie eine Atomuhr – nur wenige Länder sich derzeit dafür entscheiden würden, ihren Betrieb zu finanzieren. Zum Beispiel verwendete die Kibble-Waage des NIST im Jahr 2007 vier Widerstandsstandards, von denen jeder alle zwei bis sechs Wochen durch die Kibble-Waage rotiert wurde, nachdem sie in einem anderen Teil der NIST-Zentrale in Gaithersburg, Maryland , kalibriert wurde . Es wurde festgestellt, dass das einfache Verschieben der Widerstandsstandards den Flur entlang zur Kibble-Waage nach der Kalibrierung ihre Werte um 10 ppb (entspricht 10 μg) oder mehr änderte . Die heutige Technologie reicht nicht aus, um einen stabilen Betrieb von Kibble-Waagen zwischen sogar halbjährlichen Kalibrierungen zu ermöglichen. Wenn die neue Definition in Kraft tritt, wird es wahrscheinlich zunächst nur wenige – höchstens – Kibble-Waagen auf der Welt geben.
Alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms
Mehrere alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms, die sich grundlegend von der Kibble-Bilanz unterschieden, wurden in unterschiedlichem Maße untersucht, von einigen aufgegeben. Insbesondere das Avogadro-Projekt war für die Neudefinitionsentscheidung 2018 wichtig, da es eine genaue Messung der Planck-Konstante lieferte, die konsistent und unabhängig von der Kibble-Balance-Methode war. Zu den alternativen Ansätzen gehörten:
Ansätze zum Atomzählen
Avogadro-Projekt
Eine weitere Avogadrokonstante basierten Ansatz, bekannt als die Internationale Avogadro Coordination ‚s Avogadro - Projekt , würde definieren und die als 93,6 Kilogramm abgrenzen mm Durchmesser Sphäre Siliciumatome. Die Wahl fiel auf Silizium, da bereits eine kommerzielle Infrastruktur mit ausgereifter Technologie zur Herstellung von defektfreiem, hochreinem monokristallinem Silizium, dem Czochralski-Verfahren , für die Halbleiterindustrie existiert .
Um eine praktische Realisierung des Kilogramm zu machen, eine silicium Boules (eine stabförmige, einkristalline Ingot) würde hergestellt. Seine Isotopenzusammensetzung würde mit einem Massenspektrometer gemessen , um seine durchschnittliche relative Atommasse zu bestimmen. Die Kugeln wurden geschnitten, geschliffen und zu Kugeln poliert. Die Größe einer ausgewählten Kugel würde mit optischer Interferometrie mit einer Unsicherheit von etwa 0,3 nm auf dem Radius gemessen – ungefähr eine einzelne Atomschicht. Der genaue Gitterabstand zwischen den Atomen in seiner Kristallstruktur (≈ 192 pm) würde mit einem Raster -Röntgeninterferometer gemessen werden . Dies erlaubt es, seinen Atomabstand mit einer Unsicherheit von nur drei Teilen pro Milliarde zu bestimmen. Mit der Größe der Kugel, ihrer durchschnittlichen Atommasse und ihrem Atomabstand kann der erforderliche Kugeldurchmesser mit ausreichender Genauigkeit und geringer Unsicherheit berechnet werden, um sie auf eine Zielmasse von einem Kilogramm fertig zu polieren.
An den Siliziumkugeln des Avogadro-Projekts werden Experimente durchgeführt, um festzustellen, ob ihre Massen am stabilsten sind, wenn sie in einem Vakuum, einem Teilvakuum oder Umgebungsdruck gelagert werden. Derzeit werden jedoch keine technischen Mittel vorhanden sind, eine langfristige Stabilität besser als die des IPK, weil die empfindlichsten und genaue Messungen der Masse zu beweisen , mit gemacht werden Dual-pan Salden wie BIPM des FB-2 Biegestreifen Waage (siehe § Externe Links , unten). Waagen können nur die Masse einer Siliziumkugel mit der einer Referenzmasse vergleichen. Angesichts der neuesten Erkenntnisse über die mangelnde Langzeit-Massenstabilität des IPK und seiner Nachbildungen gibt es kein bekanntes, absolut stabiles Massenartefakt, mit dem man vergleichen könnte. Einarmige Waage , die Maßnahme Gewicht in Bezug auf einen unveränderliche Natur, ist nicht präzise auf die notwendige langfristigen Unsicherheit von 10-20 Teilen pro Milliarde. Ein weiteres zu überwindendes Problem besteht darin, dass Silizium oxidiert und eine dünne Schicht (entspricht einer Tiefe von 5–20 Siliziumatomen) aus Siliziumdioxid ( Quarz ) und Siliziummonoxid bildet . Diese Schicht erhöht die Masse der Kugel leicht, ein Effekt, der beim Polieren der Kugel auf ihre Endgröße berücksichtigt werden muss. Oxidation ist bei Platin und Iridium kein Problem, beides Edelmetalle , die ungefähr so kathodisch sind wie Sauerstoff und daher nicht oxidieren, es sei denn, sie werden im Labor dazu gebracht. Das Vorhandensein der dünnen Oxidschicht auf einem Siliziumkugel-Massenprototyp schränkt die Verfahren, die geeignet sein könnten, um ihn zu reinigen, zusätzlich ein, um eine Änderung der Schichtdicke oder der Oxidstöchiometrie zu vermeiden .
Alle siliziumbasierten Ansätze würden die Avogadro-Konstante fixieren, unterscheiden sich jedoch in den Details der Definition des Kilogramms. Ein Ansatz würde Silizium mit allen drei seiner natürlichen Isotope verwenden. Etwa 7,78 % des Siliziums bestehen aus den beiden schwereren Isotopen: 29 Si und 30 Si. Wie beschrieben in § Kohlenstoff-12 unten, würde dieses Verfahren definiert die Größe des Kilogramm in Bezug auf eine bestimmte Anzahl von 12 C - Atome durch die Avogadro - Konstante Fixierung; die Siliziumkugel wäre die praktische Umsetzung . Dieser Ansatz könnte genau die Größe des Kilogramm abzugrenzen , da die Massen der drei silicium Nuklide bezogen auf 12 C mit großer Präzision (relative Unsicherheit von 1 bekannt sind ppb oder besser). Eine alternative Methode zur Herstellung eines Kilogramms auf Siliziumkugelbasis schlägt vor, Isotopentrenntechniken zu verwenden, um das Silizium anzureichern, bis es fast reines 28 Si ist, das eine relative Atommasse von . hat 27,976 926 5325 (19) . Mit diesem Ansatz wäre nicht nur die Avogadro-Konstante fest, sondern auch die Atommasse von 28 Si. Als solche würde die Definition des Kilogramms von 12 C entkoppelt und das Kilogramm stattdessen definiert als 1000/27,976 926 5325 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 Atome von 28 Si (≈35.743 740 43 feste Mole von 28 Si-Atomen). Physiker könnten das Kilogramm in Form von 28 Si definieren, selbst wenn Kilogramm-Prototypen aus natürlichem Silizium bestehen (alle drei Isotope vorhanden). Selbst bei einer Kilogramm-Definition basierend auf theoretisch reinem 28 Si würde ein Silizium-Kugel-Prototyp aus nur nahezu reinem 28 Si zwangsläufig geringfügig von der definierten Molzahl Silizium abweichen, um verschiedene chemische und isotopische Verunreinigungen sowie den Einfluss von Oberflächenoxide.
Kohlenstoff-12
Obwohl diese Definition keine praktische Umsetzung bietet, würde sie die Größe des Kilogramms in Bezug auf eine bestimmte Anzahl von Kohlenstoff-12- Atomen genau definieren . Kohlenstoff-12 ( 12 C) ein Isotop von Kohlenstoff. Der Mol wird derzeit definiert als "die Menge an Einheiten (Elementarteilchen wie Atome oder Moleküle) gleich der Anzahl der Atome in 12 Gramm Kohlenstoff-12". Daher erfordert die aktuelle Definition des Maulwurfs, dass1000/12Maulwürfe ( 83+1/3 mol) von 12 C hat eine Masse von genau einem Kilogramm. Die Anzahl der Atome in einem Mol, eine Größe, die als Avogadro-Konstante bekannt ist , wird experimentell bestimmt, und die derzeit beste Schätzung ihres Wertes ist6,022 140 76 × 10 23 Einheiten pro Mol. Diese neue Definition des Kilogramms schlug vor, die Avogadro-Konstante auf genau . zu fixieren6.022 14 X × 10 23 mol −1 wobei das Kilogramm definiert ist als "die Masse gleich der von1000/12 ⋅ 6.022 14 X × 10 23 Atome von 12 C".
Die Genauigkeit des Messwertes der Avogadro-Konstante wird derzeit durch die Unsicherheit des Wertes der Planck-Konstante begrenzt . Diese relative Standardunsicherheit beträgt seit 2006 50 Teile pro Milliarde (ppb). Durch das Festlegen der Avogadro-Konstante hätte dieser Vorschlag den praktischen Effekt, dass die Unsicherheit der Masse eines 12 C-Atoms – und die Größe des Kilogramms – nicht besser sein als die aktuelle Unsicherheit von 50 ppb in der Planck-Konstante. Nach diesem Vorschlag würde die Größe des Kilogramms einer zukünftigen Verfeinerung unterliegen, sobald verbesserte Messungen des Wertes der Planck-Konstanten verfügbar werden; elektronische Darstellungen des Kilogramms würden bei Bedarf nachkalibriert. Umgekehrt würde eine elektronische Definition des Kilogramms (siehe § Elektronische Ansätze , unten), die die Planck-Konstante präzise fixieren würde, weiterhin 83+1/3Mol von 12 C eine Masse von genau einem Kilogramm haben, aber die Anzahl der Atome, aus denen ein Mol besteht (die Avogadro-Konstante), würde noch weiter verfeinert werden.
Eine Variation einer 12 C-basierten Definition schlägt vor, die Avogadro-Konstante als präzise zu definieren84 446 889 3 (≈ 6.022 141 62 × 10 23 ) Atome. Eine imaginäre Realisierung eines 12-Gramm-Massenprototyps wäre ein Würfel aus 12 C-Atomen, der genau misst84 446 889 Atome auf einer Seite. Mit diesem Vorschlag würde das Kilogramm definiert als "die Masse gleich84 446 889 3 × 83+1/3Atome von 12 C."
Ionenakkumulation
Ein anderer Avogadro-basierter Ansatz, die Ionenakkumulation , hätte, nachdem sie aufgegeben wurde, das Kilogramm durch präzises Erstellen neuer Metallprototypen auf Anfrage definiert und abgegrenzt. Es hätte dies getan, indem es Gold- oder Wismut- Ionen (von einem Elektron befreite Atome) angesammelt und sie durch Messen des elektrischen Stroms gezählt hätte, der zur Neutralisierung der Ionen erforderlich ist. Gold ( 197 Au) und Wismut ( 209 Bi) wurden gewählt, weil sie sicher gehandhabt werden können und die beiden höchsten Atommassen unter den mononuklidischen Elementen aufweisen , die stabil (Gold) oder effektiv (Wismut) sind. Siehe auch Nuklidtabelle .
Mit einer auf Gold basierenden Definition des Kilogramms hätte man beispielsweise die relative Atommasse von Gold so genau festlegen können 196.966 5687 , vom aktuellen Wert von196,966 5687 (6) . Wie bei einer auf Kohlenstoff-12 basierenden Definition wäre auch die Avogadro-Konstante festgelegt worden. Das Kilogramm wäre dann definiert worden als „die Masse, die genau der von1000/196.966 5687 ⋅ 6.022 141 79 × 10 23 Goldatome" (genau 3.057.443.620.887.933.963.384.315 Goldatome oder etwa5.077 003 71 feste Mol).
Im Jahr 2003 experimentierten Deutschland mit Gold bei einer Strömung von nur 10 μA zeigten eine relative Unsicherheit von 1,5 %. Folgeexperimente mit Bismut-Ionen und einem Strom von 30 mA sollten in sechs Tagen eine Masse von 30 g ansammeln und eine relative Unsicherheit von besser als 1 ppm aufweisen. Letztlich erwiesen sich Ansätze zur Ionenakkumulation als ungeeignet. Die Messungen dauerten Monate und die Daten erwiesen sich als zu unberechenbar, als dass die Technik als tragfähiger zukünftiger Ersatz für das IPK angesehen werden konnte.
Zu den vielen technischen Herausforderungen der Ionenabscheidungsvorrichtung gehörte, einen ausreichend hohen Ionenstrom (Massenabscheidungsrate) zu erhalten und gleichzeitig die Ionen zu verlangsamen, damit sie sich alle auf einer in einer Waagschale eingebetteten Zielelektrode abscheiden konnten. Experimente mit Gold zeigten die Ionen auf sehr niedrigen Energien abgebremst werden mußten vermieden Sputtern Effekte-ein Phänomen , wodurch Ionen , die bereits gezählt worden abprallen der Targetelektrode oder sogar verdrängt Atome , die bereits abgeschieden worden war. Der deponierte Massenanteil in den deutschen Experimenten von 2003 näherte sich nur sehr nahe 100% bei Ionenenergien von weniger als etwa1 eV (< 1 km/s für Gold).
Wäre das Kilogramm als genaue Menge von Gold- oder Wismutatomen definiert worden, die mit elektrischem Strom abgeschieden werden, müsste nicht nur die Avogadro-Konstante und die Atommasse von Gold oder Wismut genau festgelegt worden sein, sondern auch der Wert der Elementarladung ( e ), wahrscheinlich1,602 17 X × 10 −19 C (vom derzeit empfohlenen Wert von1,602 176 634 × 10 -19 C ). Dies hätte das Ampere effektiv als Fluss von . definiert1/1.602 17 X × 10 -19Elektronen pro Sekunde an einem Fixpunkt in einem Stromkreis vorbei. Die SI-Masseneinheit wäre vollständig definiert gewesen, wenn man die Werte der Avogadro-Konstante und der Elementarladung genau festgelegt hätte und die Tatsache ausgenutzt hätte, dass die Atommassen von Wismut- und Goldatomen unveränderliche, universelle Konstanten der Natur sind.
Abgesehen von der langsamen Erstellung eines neuen Massenstandards und der schlechten Reproduzierbarkeit gab es andere intrinsische Mängel des Ionenakkumulationsansatzes, die sich als erhebliche Hindernisse für die praktische Umsetzung von Ionenakkumulationstechniken erwiesen. Die Vorrichtung erforderte notwendigerweise, dass die Abscheidungskammer ein integriertes Gleichgewichtssystem aufweist, um die bequeme Kalibrierung einer angemessenen Menge von Transferstandards relativ zu jedem einzelnen internen Prototyp mit abgeschiedenen Ionen zu ermöglichen. Darüber hinaus wären die durch Ionenabscheidungstechniken hergestellten Massenprototypen nichts mit den derzeit verwendeten freistehenden Platin-Iridium-Prototypen zu vergleichen; sie wären auf einer in eine Pfanne einer in das Gerät integrierten Spezialwaage eingebetteten Elektrode abgeschieden worden – und wurden Teil davon. Außerdem hätte die mit Ionen abgeschiedene Masse keine harte, hochglanzpolierte Oberfläche, die wie bei aktuellen Prototypen kräftig gereinigt werden kann. Gold ist zwar dicht und ein Edelmetall (beständig gegen Oxidation und die Bildung anderer Verbindungen), aber extrem weich, so dass ein interner Gold-Prototyp gut isoliert und peinlich sauber gehalten werden müsste, um eine Kontamination und mögliche Abnutzung durch Entfernen zu vermeiden die Kontamination. Wismut, ein kostengünstiges Metall, das in Niedertemperaturloten verwendet wird, oxidiert langsam, wenn es Luft bei Raumtemperatur ausgesetzt wird und bildet andere chemische Verbindungen und hätte daher keine stabilen Referenzmassen erzeugt, wenn es nicht kontinuierlich in einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre gehalten würde.
Ampere-basierte Kraft
Dieser Ansatz würde das Kilogramm als "die Masse, die auf genau beschleunigt werden würde" definieren 2 × 10 -7 m/s 2 bei Belastung pro Meter zwischen zwei geraden, parallelen Leitern unendlicher Länge mit vernachlässigbarem kreisförmigem Querschnitt, die einen Meter voneinander entfernt im Vakuum angeordnet sind und durch die ein konstanter Strom von . fließt1/1.602 17 × 10 -19 Elementarladungen pro Sekunde".
Effektiv würde dies das Kilogramm als eine Ableitung des Ampere definieren und nicht die gegenwärtige Beziehung, die das Ampere als eine Ableitung des Kilogramms definiert. Diese Neudefinition des Kilogramms würde die Elementarladung ( e ) mit genau 1,602 17 × 10 −19 Coulomb anstelle des derzeit empfohlenen Wertes von angeben1,602 176 634 × 10 -19 C . Daraus würde sich zwangsläufig ergeben, dass das Ampere (ein Coulomb pro Sekunde) auch ein elektrischer Strom dieser genauen Menge an Elementarladungen pro Sekunde wäre, der einen bestimmten Punkt in einem Stromkreis passiert. Der Vorteil einer auf dieser Definition basierenden praktischen Erkenntnis besteht darin, dass im Gegensatz zur Kibble-Waage und anderen skalenbasierten Methoden, die alle eine sorgfältige Charakterisierung der Schwerkraft im Labor erfordern, diese Methode die Größe des Kilogramms genau so beschreibt, dass Definieren Sie die Natur der Masse: Beschleunigung aufgrund einer aufgebrachten Kraft. Leider ist es äußerst schwierig, eine praktische Umsetzung basierend auf sich beschleunigenden Massen zu entwickeln. Experimente über einen Zeitraum von Jahren in Japan mit einer supraleitenden Masse von 30 g, die durch diamagnetische Levitation unterstützt wurde, erreichten nie eine Unsicherheit von mehr als zehn Teilen pro Million. Die magnetische Hysterese war eines der einschränkenden Probleme. Andere Gruppen führten ähnliche Forschungen durch, die unterschiedliche Techniken verwendeten, um die Masse zu schweben.