In wenigen Tagen kommt die wohl perfekteste Kugel der Welt im Labor 5.41 im Erdgeschoss des Friedrich-Paschen-Baus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig an. Es handelt sich um eine knapp zehn Zentimeter dicke, ein Kilogramm schwere Siliziumkugel. In einer Vakuumkammer wird sie dort in den kommenden Monaten von Peter Becker und seinem Team extrem genau vermessen.
Dahinter steht ein anspruchsvoller Plan: Die Wissenschaftler wollen mindestens auf acht Stellen hinter dem Komma genau abzählen, wie viele Atome in einem Mol enthalten sind. Ein Mol, die physikalische Basiseinheit der Stoffmenge, entspricht dem Atomgewicht eines Stoffes in Gramm. Für Eisen sind das beispielsweise 56, für Quecksilber 201 oder für Silizium 28 Gramm. Die Natur hat es so eingerichtet, dass in jedem Mol gleich viele Atome stecken. 201 Gramm Quecksilber etwa enthalten also immer genau so viele Atome wie 56 Gramm Eisen oder 28 Gramm Silizium.
Natürlich sind das ziemlich viele Atome, etwa sechs mal 10hoch23. Wer da anfangen möchte, die Teilchen einzeln abzuzählen, wäre lange beschäftigt. Wenn man pro Sekunde eine Million Atome registrierte, bräuchte man immer noch 20 Milliarden Jahre – länger, als das Universum bisher existiert. Dies ist also kein gangbarer Weg.
Die Physiker in der PTB gehen deshalb wesentlich schlauer an das Vorhaben heran. Sie benutzen einen Siliziumeinkristall, der so regelmäßig aufgebaut ist, dass man eigentlich nur noch den Abstand der einzelnen Atome im Kristallgitter messen müsste, um zu wissen, wie viele Atome in sein Volumen passen. Aber hier, wie überall bei hochgenauen Messungen, steckt der Teufel im Detail. Denn „kein Einkristall ist perfekt, jeder enthält Fremdatome und kleine Fehler, die die Perfektion des Kristallgitters unterbrechen“, erläutert Fachbereichsleiter Peter Becker. Außerdem ist es mit der Messung des Gitterabstandes allein noch nicht getan, denn parallel muss auch noch das Volumen der Kugel sowie ihre Masse möglichst genau bestimmt werden. Daraus ergibt sich dann ihre Dichte, und erst wenn man alle diese Informationen zusammenhat, kann man berechnen, wie viele Atome ein Mol enthält.
Diesen großen Aufwand betreiben die Braunschweiger Wissenschaftler natürlich nicht aus Freude am puren Zählen. Sie verfolgen einen tiefen praktischen Sinn: Es geht darum, die letzte noch nicht genau definierte Grundeinheit, das Kilogramm, auf universelle Naturkonstanten zurückzuführen. Bislang nämlich dient immer noch ein kleiner Platin-Iridium-Zylinder als Eichmaß für alle Kilogramm dieser Welt. Das Bureau International des Poids et Mesures bewahrt ihn in einem Tresor in Sèvres auf, am Stadtrand von Paris.
Nun hat sich in den vergangenen 100 Jahren aber gezeigt, dass dieses Ur-Kilogramm allmählich ein ganz kleines bisschen leichter wurde. Allein schon aus diesem Grund wäre es sinnvoll, endlich die Definition des Kilogramms auf eine stabile Basis zu stellen. Aktivitäten dazu gibt es in mehreren Ländern. Bei der PTB in Braunschweig konzentriert man sich auf die Siliziumkugel.
Damit die Zählarbeit auch wirklich exakt wird, muss das Silizium (Si) extrem rein sein und darf nur eine Atomart enthalten. „Natürliches Silizium besteht immer aus drei Atomarten, sogenannten Isotopen, die sich in ihrem Atomgewicht unterscheiden“, erklärt Peter Becker. „Das häufigste ist das Si 28, daneben stecken aber noch rund fünf Prozent Si 29 und geringe Mengen Si 30 in dem Element.“
Um die schwereren Isotopen abzutrennen, bestellte die PTB 2003 in Russland Silizium, das zu 99,99Prozent sortenrein aus dem Isotop Si 28 besteht. Die Technik zu dessen Herstellung ist die gleiche, wie man sie bei der Anreicherung von Uran benutzt. Deshalb kamen den russischen Wissenschaftlern auch ihre Erfahrungen aus dem Atomwaffenprogramm zugute. Die Anreicherung geschah in StPetersburg, die anschließende Reinigung und Aufbereitung des Siliziums als Feststoff übernahmen Forscher in Nischni Nowgorod, dem früheren Gorki.
2006 kam das hoch angereicherte Material schließlich in Berlin-Adlershof an, wo Spezialisten des Instituts für Kristallzüchtung einen extrem regelmäßigen Einkristall daraus züchteten. Aus diesem wiederum fräste die PTB eine Rohkugel, die dann zum Polieren nach Australien geschickt wurde. Nach dieser kleinen Weltreise kommt die Siliziumkugel nun wieder nach Hause. Bald werden die Forscher wissen, wie viele Atome sie enthält.
