Präzise Dichtemessungen mit schwebenden Festkörpern: Flotation

Abstract

Die Bestimmung der Dichte spielt in vielen Forschungsarbeiten und Anwendungen eine wichtige Rolle, Beispiele sind die Messung des Öchsle-Grads und die Untersuchung der Homogenität hochreiner Materialien. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt hat ein Messverfahren mit zuvor unerreichter Präzision entwickelt. den Charme, dass jedes Labor mit Werkzeugen zum Atome-Zählen sich eine eigene Referenz-Masse basteln könnte." Dazu muss man aber im Labor sicherstellen, dass die neue Referenz-Masse auch genau die richtige Anzahl Atome enthält. Folgender Weg könnte zum Ziel führen [3]: Der Platzbedarf eines einzelnen Siliziumatoms wird über Röntgenstrahlung bestimmt. Dann wird eine Kugel aus Silizium so präzise hergestellt, dass ihr Durchmesser überall bis auf wenige Nanometer gleich ist (eine solche Kugel ist auf dem Umschlag von [3] abgebildet). Mit einem Kugelinterferometer wird der Durchmesser und damit das Volumen dieser Kugel bestimmt. Die Zahl der Atome in der Kugel ergibt sich, wenn man das Kugelvolumen durch das Atomvolumen teilt. Um wirklich präzise zu sein, muss die Siliziumkugel allerdings aus einem idealen Einkristall ohne Fehlstellen und mit möglichst wenigen Verunreinigungen hergestellt sein. Wie aber kann man diese Homogenität der Kugel genau nachweisen? Dazu eignet sich die Bestimmung ihrer Dichte: Bevor die Siliziumkugel hergestellt werden kann, muss man sicher sein, dass der gezogene Einkristall, der ja ein langer Zylinder ist, an jeder Stelle dieselbe Dichte hat. Hierzu nehmen wir kleine Proben an axial und radial verteilten Stellen aus dem Einkristall und messen nach, ob sich deren Dichte unterscheidet. Grenzen der klassischen Methode Die klassische Methode der Dichtebestimmung eines Festkörpers basiert auf dem Archimedischen Prinzip, das lautet: "Ein in eine Flüssigkeit eintauchender Festkörper verliert scheinbar so viel an Gewicht, wie die von ihm verdrängte Flüssigkeit wiegt." (Archimedes, um 250 v. Chr.) Mit der klassischen Dichtebestimmungsmethode kommt man jedoch bei Präzisionsmessungen sehr schnell an Grenzen, weil der Festkörper immer in einer Flüssigkeit untergetaucht ist und sein Auftrieb bestimmt wird. Dazu muss der Festkörper über eine Aufhängung und einen Draht mit einer Waage verbunden sein. Wo dieser Draht durch die Flüssigkeitsoberfläche tritt, bildet sich ein Flüssigkeitswulst, dessen Form nicht immer die gleiche ist. Das beeinträchtigt ganz wesentlich die Genauigkeit einer echten Präzisions-H ier ist jemand am Telefon, der zur Dichte etwas wissen möchte, können Sie das Gespräch bitte übernehmen?" So oder ähnlich klingen die meisten Anfragen, die bei uns im Labor landen. Und der Fragesteller sprudelt sofort los: Er habe sich eine teure Armbanduhr gekauft, die bis zu zehn Meter Tauchtiefe auch garantiert wasserdicht sein soll -bis zur bösen Überraschung beim ersten Tauchversuch. Er benötige jetzt für einen Rechtsstreit mit der Herstellerfirma dringend ein Fachgutachten über die Dichte der Uhr. Solche Anrufer verwechseln Dichtigkeit mit der physikalischen Größe der Dichte -für uns hat si...

High Frequency Acoustics in Colloid-Based Meso- and Nanostructures by Spontaneous Brillouin Light Scattering

“…This can, e.g., be realized by using a spe-cial double-flask setup in which two aqueous solutions of a salt with two different concentrations (and therefore different densities) are mixed to a solution with continuously changing concentration and density, which is carefully poured in the column. [70,71] The density gradient is then calibrated using several floaters of well known density. Drawing the calibration curve of floater density against floating hight in the column, the density of other samples can be determined by flotation.…”