Masse und Dichte
Fachbezug
Definition der Masse. Problematik des "Urkilogramms".
Das Urkilogramm
Während alle anderen 6 Grundeinheiten (siehe Tabelle Internationales Maßsystem) auf Naturkonstante zurückgeführt werden können, wird die Einheit der Masse, das Kilogramm, auf einen bestimmten Gegenstand (Urkilogramm) bezogen.
Das "Urkilogramm" ist ein Zylinder (Durchmesser = Höhe = 39 mm) aus einer Platin-Iridium-Legierung. Er wird unter zwei Glashauben im "Bureau International des Poids et Mesures" (Internationales Büro für Gewichte und Maße) nahe Paris aufbewahrt. Kopien von diesem Objekt stellen in allen Ländern die Basis für eine möglichst genaue Definition eines Kilogramms dar.
Bei genauen Vergleichen wurde festgestellt, dass die Masse des in Paris aufbewahrten Prototyps von den Massen der Kopien mittlerweile um etwa 50 μg abweicht. Als mögliche Ursachen werden entweder der Verlust von Atomen beim Reinigen des Prototypen oder eine unerwartete Anlagerung von Atomen an die Kopien vermutet.
Neue Standards für die Masse
Definition über die Masse von Atomen
Zunächst wird die Avogadro-Konstante ("Anzahl der Atome in 12 g des Kohlenstoffistops 12C") bestimmt: In einem reinen Silizium-Kristall werden dazu die Kristallebenen genau vermessen - kennt man das Volumen eines Atoms, kann man auf die Masse eines einzelnen Atoms schließen, wenn die Masse und das Volumen einer exakten Silizium-Kugel bestimmt wurden.
Definition über quantenphysikalische Effekte
Die Gewichtskraft der Masse wird in einem Magnetfeld durch die Kraft auf eine stromdurchflossene Spule bestimmt. Die Präzisionsmessung beruht auf der Messung der elektrischen Spannung mit Hilfe des Josephson-Effekts und auf der Messung des elektrischen Widerstands mit dem Quanten-Hall-Effekt. Die Ergebnisse beider Messungen sind Vielfache des Planck'schen Wirkungsquantums h. Die Bestimmung der Masse fußt damit auf quantenphysikalischen Größen.
Dichte
Die Dichte ρ ist das Verhältnis von Masse m zu Volumen V eines Körpers: ρ = m/V. In der folgenden Tabelle sind einige Werte angegeben:
| Beispiele von Dichten | in kg · m-3 |
|---|---|
| Atomkern | 1018 |
| Schwermetalle | 2 · 104 |
| Erde | 5,5 · 103 |
| Festkörper und Flüssigkeiten |
103 |
| Wasser (4°C) | 1,00 · 103 |
| Gase unter Normalbedingungen |
100 |
| Roter Riese | 10-3 |
| Normalstern (zB Sonne) |
103 |
| Weißer Zwerg | 109 |
| Neutronenstern | 1018 |
Aktivitäten
Berechne Dichte, Masse oder Volumen - je nach gegebenen Größen... (Hinweis zur Eingabe von Zehnerpotenzen):
- Untersuche und begründe, warum die Grundlagen zum SI in Frankreich um 1790 gelegt wurden!
- Fasse Anwendungen aus dem täglichen Leben zusammen, in denen es deiner Meinung nach auf eine genaue Bestimmung der Masse ankommt!
- Begründe, warum die ursprüngliche Definition der Masseneinheit (Grave) auf 1 Liter Wasser bei der Temperatur von 4°C bezogen wurde!
- Nenne alle SI-Einheiten und ihre Definitionen (Hinweis: Tabelle der SI-Einheiten)!
- Ausblick: Rote Riesen, Weiße Zwerge und Neutronensterne sind astronomische Objekte. Sie sind alle Reste ehemaliger Sterne. Recherchiere Eigenschaften dieser Objekte und folgere daraus, welche Dichte sie daher ungefähr haben müssen!
- Ausblick: Was ist die Ursache, dass einem Körper die Eigenschaft von "Masse" zugeschrieben werden kann? Vergleiche dazu 23 Makrokosmos und Aktuelle Forschung (Basiswissen 8)!
Quellen
- WikiPedia
- Spektrum der Wissenschaften, Juni 2007, S. 76: "Eine gewichtige Sache" (Ian Robinson)
- Basiswissen Physik 5, S. 18