Кілограм

Один з еталонів кілограма США

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

Кілограм є одиницею маси, а не ваги, хоча в повсякденному вжитку поняття маси й ваги часто ототожнюють. Одиницею вимірювання сили (а вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс) у системі СІ є ньютон.

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. Однак остаточне рішення з цього приводу очікується не раніше 2015 року.

Історія

Кілограм як одиницю вимірювання маси було запропоновано після Великої французької революції з метою впорядкування системи одиниць із застосуванням десяткової системи. 7 квітня 1795 року було проголошено нову одиницю грам як «абсолютну вагу об'єму води, рівному кубу одної сотої частини метра за температури плавлення льоду». Кілограм за такого означення був похідною одиницею, рівною тисячі грамів. З огляду на те, що еталон 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

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

Вимірювання маси через вагу тіла — дія сили тяжіння на об'єкт вимірювання викликає деформацію пружини

Вимірювання гравітаційної маси — дія сили тяжіння на об'єкт вимірювання зрівноважується дією сили тяжіння на противагу

Коли кілограм було затверджено як одиницю вимірювання, ще не було чіткого розуміння різниці між масою і вагою. Маса — характеристика інертних чи гравітаційних властивостей тіл. Перша властивість відображається у першому (швидкість тіл залишається незмінною доти, поки на них не подіє зовнішня сила) і другому законі Ньютона: a = F/m; тобто об'єкт масою m в 1 кг набуде прискорення a в 1 метр на секунду в квадраті, коли на цей об'єкт діє сила (чи рівнодійна усіх сил) в 1 ньютон, друга виражається законом всесвітнього тяжіння: гравітаційне притягування є прямо пропорційним добутку мас. 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 рік) 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

Зміна маси національних прототипів кілограма K21–K40 та сестринських копій K32 і K8(41) з часом відносно міжнародного прототипу. 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 стабільного еталона маси запропоновано кілька варіантів заміни еталона кілограма на надійніший (наприклад, задаючи кількість атомів у кристалі якого-небудь хімічного елемента чи через одиниці енергії, 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

Станом на 2011 рік 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 одиницю довжини стало можливим відтворити в різних лабораторіях світу, користуючись інструкціями. На 94 конференції Міжнародного комітету мір і ваг 2005 року була прийнята рекомендація, що схожу процедуру потрібно провести з кілограмом.

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

Кратні й частинні одиниці кілограма

З історичних причин, назва «кілограм» уже містить десятковий префікс «кіло», тому кратні й частинні одиниці утворюють, шляхом приєднання стандартних префіксів СІ до назви або позначення одиниці вимірювання «грам» (яка у системі СІ сама є частинною: 1 г = 10⁻³ кг).

Замість мегаграма (1000 кг), зазвичай, використовують одиницю вимірювання «тонна».

У визначеннях потужності атомних бомб у тротиловому еквіваленті замість гігаграма застосовується кілотонна, замість тераграма — мегатонна.

Кратні				Частинні
Величина	Назва	Позначення		Величина	Назва	Позначення
101 г	декаграм	даг	dag	10−1 г	дециграм	дг	dg
102 г	гектограм	гг	hg	10−2 г	сантиграм	сг	cg
103 г	кілограм	кг	kg	10−3 г	міліграм	мг	mg
106 г	мегаграм	Мг	Mg	10−6 г	мікрограм	мкг	µg
109 г	гігаграм	Гг	Gg	10−9 г	нанограм	нг	ng
1012 г	тераграм	Тг	Tg	10−12 г	пікограм	пг	pg
1015 г	петаграм	Пг	Pg	10−15 г	фемтограм	фг	fg
1018 г	ексаграм	Ег	Eg	10−18 г	атограм	аг	ag
1021 г	зетаграм	Зг	Zg	10−21 г	зептограм	зг	zg
1024 г	йотаграм	Йг	Yg	10−24 г	йоктограм	йг	yg
застосовувати не рекомендовано    не застосовуються або рідко застосовуються на практиці