Кілограм

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Один з еталонів кілограма США

Кілогра́м — одиниця маси в Міжнародній системі одиниць (СІ) та деяких інших метричних системах. За означенням один кілограм дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма[1]. Кілограм входить до семи основних одиниць СІ, через які визначається багато інших одиниць. Це єдина одиниця СІ з префіксом. Одиниця без префіксу — грам — дорівнює одній тисячній кілограма.

Кілограм є одиницею маси, а не ваги, хоча в посякденному вжитку поняття маси й ваги часто плутають. Одиницею сили (а вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс) у системі СІ є ньютон. Раніше, до 1960, використовувалася одиниця кілограм-сила. Її можна зустріти в старій фізичній літературі, та в деяких технічних галузях, однак у фізиці використання цієї одиниці не рекомендується як застарілої.

Оскільки маса прототипу кілограма змінюється з часом, а точне визначення основної одиниці СІ важливе для точних вимірювань багатьох фізичних величин, Міжнародний комітет мір і ваг 2005 року ухвалив рішення про необхідність перевизначення кілограма через фундаментальні фізичні сталі[2]. Однак, остаточне рішення з цього приводу очікується не раніше 2015[3].

Історія[ред.ред. код]

Кілограм як одиницю виміру було запропоновано після Великої французької революції з метою впорядкування системи одиниць із застосуванням десяткової системи. 7 квітня 1795 було проголошено нову одиницю грам, як «абсолютна вага об'єму води, рівному кубу одної сотої частини метра за температури плавлення льоду»[4]. Кілограм за такого означення був похідною одиницею, рівною тисячі грамів. З огляду на те, що стандарт у вигляді певної кількості води був ненадійним, постала проблема його практичної реалізації. Було виготовлено тимчасовий металевий еталон вагою у 1000 грамів. Водночас було поставлено завдання точного вимірювання маси одного кубічного дециметра, тобто, літра, води.

Після кількох років досліджень французький хімік Луї Лефевр-Жіно та італійський натураліст Джовані Фабброні дійшли висновку, що найточніше визначення буде не за температури плавлення льоду (0 °C) а за температури, коли густина води найбільша — 4 °C. Визначена маса становила 99,9265% тимчасового еталона. 1799 року було виготовлено платиновий еталон, маса якого відповідала масі літра води за температури 4 °C. Цей кілограм отримав назву кілограма архіву і слугував еталоном впродовж наступних 90 років.

Міжнародний прототип кілограма[ред.ред. код]

1875 року 17 країн світу підписали Метричну конвенцію, яка започаткувала процес створення міжнародної системи одиниць. На виконання цієї домовленості було виготовлено новий Міжнародний прототип кілограма.

Сучасним еталоном кілограма є циліндрична гиря висотою і діаметром 39 міліметрів, що зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг у Севрі (передмістя Парижа, Франція). Цю гирю відлито 1879 року зі сплаву платини (90%) та іридію (10%), вперше виготовленого французьким хіміком Сент-Клер Девілем 1872 року. Завдяки використанню сплаву платини й іридію збільшилася твердість зразка.

Прототип було затверджено 1-ою Генеральною конференцією мір і ваг 1889 року. Крім власне прототипу в Міжнародному бюро мір і ваг зберігається ще шість його копій. Приблизно 80 копій цього еталона також зберігаються в інших країнах.

Розмежування маси і ваги[ред.ред. код]

Коли кілограм було затверджено як одиницю виміру ще не було чіткого розуміння різниці між масою і вагою. Маса — характеристика інерційних властивостей тіл. Вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс. Маса тіла однакова в будь-якому місці на Землі, тоді як його вага залежить від сили тяжіння, тобто, відрізнятиметься. Вона залежить від географічної широти й довготи, висоти над рівнем моря і навіть від порід, що залягають під поверхнею у визначеному місці.

З метою усунення плутанини, що існувала на той час, 1-ша Генеральна конференція мір і ваг (1889) затвердила міжнародний прототип кілограма як прототип одиниці маси. У рішеннях 3-ої Генеральної конфереції мір і ваг чітко розмежовано кілограм як одиницю сили та кілограм як одиницю маси.

Існує також окреме фундаментальне фізичне питання про рівність інерційної та гравітаційної мас, але в контексті визначення еталона кілограма воно не суттєве.

Точність еталона[ред.ред. код]

Зміна маси національних прототипів кілограма K21–K40 та сестринських копій K32 і K8(41) з часом відносно міжнародного прототипу[5]. Усі вимірювання подано як відносні. Вимірювань маси, що свідчили б про те, який із прототипів найстабільшіший щодо природних інваріантів, немає. Існує імовірність, що всі прототипи збільшили свою масу за 100 років, а K21, K35, K40 та міжнародний прототип набрали меншу масу, ніж інші.

Точність відтворення одиниці маси — кілограма — з допомогою прототипу кілограма здебільшого задовольняє запити сучасної науки й техніки (відносна похибка не перевищує 2·10−8). Проте перспективи їхнього розвитку потребують подальшого підвищення точності відтворення одиниць маси. Крім того, зруйновність та невідтворюваність міжнародного прототипу кілограма залишає в центрі уваги метрологів проблему встановлення природної міри для кілограма.

У результаті останнього (на 2005 рік) зіставлення копій та еталона кілограма було виявлено, що спільний еталон (який перебуває в Парижі) поважчав на 28 мікрограмів. З огляду на це, а також задля встановлення більш стабільного еталона маси, запропоновано кілька варіантів заміни еталона кілограма на надійніший (наприклад, задаючи кількість атомів у кристалі якого-небудь хімічного елемента, чи шляхом виразу через одиниці енергії, які витрачаються під час переходів між електронними рівнями, або за допомогою так званих «обернених ампер-вагів»). Але досі альтернативне визначення кілограма не ухвалено.

Інший напрям розв'язання цієї проблеми полягає в розробленні та створенні зразків маси одноізотопного складу. Здійснені дослідження показують реальну можливість відтворення одиниці маси з точністю, що набагато перевищує будь-які практичні потреби.

Пропозиції нового еталону[ред.ред. код]

Станом на 2011 кілограм залишається єдиною одиницею СІ, визначеною за допомогою артефакту. Раніше такою ж одиницею був метр, але потім він був перевизначений через інваріантну фізичну сталу (довжину хвилі світла, випроміненого Криптоном), таким чином стантарт стало можливим відтворити в різних лабораторіях світу, користуючись інструкціями. На 94 конференції Міжнародного комітету мір і ваг 2005 року[6] була прийнята рекомендація, що схожу процедуру потрібно провести з кілограмом.

У жовтні 2010 Міжнародний комітет мір і ваг проголосував резолюцію, яка закликала перевизначити кілограм так, щоб він визначався через сталу Планка[7][8], значення якої фіксувалося б точно. Резолюція була прийнята 24 Генеральною конференцією мір і ваг[9] в жовтні 2011, а крім того дата 25 конференції була перенесена з 2015 на 2014 рік[10]. Таке визначення теоретично дозволило б будь-якому приладу, здатному визначити кілограм через сталу Планка з потрібною точністю і стабільністю стати новим еталоном. Таку здатність мають, наприклад, ватові терези.

Виноски[ред.ред. код]

  1. «Resolution of the 1st CGPM (1889)». BIPM. Архів оригіналу за 2013-06-23. 
  2. 94th Meeting of the International Committee for Weights and Measures (2005) Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants
  3. Anon (November 2010). «BIPM Bulletin». BIPM. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2011-01-28. 
  4. «Decree on weights and measures». 1795-04-07. Архів оригіналу за 2013-05-10. «Gramme, le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre , et à la température de la glace fondante.» 
  5. G. Girard (1994). «The Third Periodic Verification of National Prototypes of the Kilogram (1988–1992)». Metrologia 31 (4). с. 317–336. doi:10.1088/0026-1394/31/4/007. 
  6. (October 2005) "Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants". 94th meeting of the International Committee for Weights and Measures. Retrieved on 3 November 2011.
  7. «NIST Backs Proposal for a Revamped System of Measurement Units». Nist.gov. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2011-04-03. 
  8. Ian Mills (2010-09-29). «Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units». CCU. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2011-01-01. 
  9. (17 - 21 October 2011) "[http://www.bipm.org/utils/en/pdf/24_CGPM_Resolution_1.pdf Resolution 1 - On the possible future revision of the International System of Units, the SI]". 24th meeting of the General Conference on Weights and Measures. Retrieved on 25 October 2011.
  10. Генеральна конференція мір і ваг (23 October 2011). "General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram.". Прес-реліз. Переглянутий 25 October 2011.