Василиса▶ Я жду вашего обращения. Что Вы хотите узнать?
Логотип
Килограмм
кг, kg
CGKilogram.jpg
Величина Масса
Система СИ
Тип основная
См. Приставки СИ

Килогра́мм (русское обозначение: кг ; международное: kg ) — единица измерения массы , одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ) . Кроме того, является единицей массы и относится к числу основных единиц в системах МКС , МКСА , МКСК , МКСГ , МКСЛ , МКГСС . Килограмм является единственной из основных единиц системы СИ, которая используется с приставкой («кило», обозначение «к»).

XXVI Генеральная конференция по мерам и весам (13—16 ноября 2018 года) одобрила определение килограмма , основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступило в силу 20 мая 2019 года.

Килограмм, обозначение кг, является единицей массы в СИ; его величина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равной в точности 6,62607015⋅10 -34 , когда она выражена единицей СИ Дж⋅с, которая эквивалентна кг⋅м 2 ⋅с −1 , где метр и секунда определены через c и Δ ν Cs .

Действовавшее до мая 2019 года определение килограмма было принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулировалось так :

Килограмм — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

До 20 мая 2019 года килограмм оставался последней единицей СИ, определенной на основе изготовленного человеком объекта. После принятия нового определения с практической точки зрения величина килограмма не изменилась, но существующий «прототип» (эталон) более не определяет килограмм, а является очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.

Прототип килограмма

Международный прототип ( эталон ) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа ) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).

Современный международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1889 году на основе Метрической конвенции (1875) и передан на хранение Международному бюро мер и весов (МБМВ), действующему от имени ГКМВ. Международный эталон килограмма практически не подвергается какому-либо перемещению или использованию. Его копии хранятся в национальных метрологических учреждениях по всему миру. В 1889, 1948, 1989 и 2014 годах проводились верификации копий с эталоном с целью обеспечить единство измерений массы относительно эталона . Поскольку были обнаружены изменения масс копий эталона, Международный комитет мер и весов (МКМВ) рекомендовал переопределить килограмм с помощью фундаментальных физических свойств .

Килограмм и постоянная Планка

Связь между массой и постоянной Планка с теоретической точки зрения определяется двумя формулами . Эквивалентность массы и энергии связывает энергию и массу :

где  — скорость света в вакууме. Постоянная Планка связывает квантовое и традиционное понятия энергии:

где  — частота .

Эти две формулы, найденные в начале XX века, устанавливают теоретическую возможность измерения массы через энергию индивидуальных фотонов , но практические эксперименты, позволяющие связать массу и постоянную Планка, появились лишь в конце XX века.

Весы Киббла использовались с середины 1970-х годов для измерения величины постоянной Планка. Сотрудники Национального института стандартов США П. Мор ( англ.   Peter Mohr ) и Б. Тэйлор ( англ.   Barry Taylor ) в 1999 году предложили, наоборот, зафиксировать величину постоянной Планка и определять с помощью этих весов массу. Посмертно названные в честь изобретателя, Б. Киббла   (англ.) , весы Киббла — это усовершенствование токовых весов , они представляют собой электромеханический инструмент, где масса вычисляется через электрическую мощность :

где  — произведение электрического тока во время балансирования массы и напряжения в процессе калибровки,  — произведение ускорения свободного падения и скорости катушки во время калибровки весов. Если независимо замерено с высокой точностью (практические особенности эксперимента также требуют высокоточного замера частоты ), предыдущее уравнение по сути определяет килограмм в зависимости от величины ватта (или наоборот). Индексы у и введены с тем, чтобы показать, что это виртуальная мощность (замеры напряжения и тока делаются в разное время), избегая эффектов от потерь (которые могли бы быть вызваны, например, наведёнными токами Фуко ) .

Связь между ваттом и постоянной Планка использует эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла :

поскольку , где  — электрическое сопротивление , ;
эффект Джозефсона: ;
квантовый эффект Холла: ,

где и  — целые числа (первое связано со ступенькой Шапиро , второе — фактор заполнения плато квантового эффекта Холла),  — частота из эффекта Джозефсона,  — заряд электрона . После подстановки выражений для и в формулу для мощности и объединения всех целочисленных коэффициентов в одну константу , масса оказывается линейно связанной с постоянной Планка:

.

Поскольку все остальные величины в этом уравнении могут быть определены независимо от массы, оно смогло быть принято за определение единицы массы после фиксации значения 6,62607015×10 −34 Дж·с для постоянной Планка.

Этимология и употребление

Слово «килограмм» произошло от французского слова « kilogramme », которое в свою очередь образовалось из греческих слов « χίλιοι » ( хилиои ), что означает «тысяча», и « γράμμα » ( грамма ), что означает «маленький вес» Слово « kilogramme » закреплено во французском языке в 1795 году . Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году , в то время как в США слово стало использоваться в форме « kilogram », позднее ставшее популярным и в Великобритании Положение о мерах и весах ( англ.   Weights and Measures Act ) в Великобритании не запрещает использование обоих написаний .

В XIX веке французское сокращение « kilo » было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов , так и километров .


История

Идея использовать заданный объём воды для определения единицы измерения массы была предложена английским философом Джоном Уилкинсом в его эссе 1668 года как способ связать массу и длину .

7 апреля 1795 года грамм был принят во Франции как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу [со стороной] в сотую часть метра, и при температуре тающего льда» . В это же время была поручена работа с необходимой точностью определить массу кубического дециметра (литра) воды .

Поскольку торговля и коммерция обычно имеют дело с предметами, чья масса намного значительней одного грамма, и поскольку стандарт массы, изготовленный из воды, был бы неудобен в обращении и сохранении, было предписано отыскать способ практической реализации такого определения. В связи с этим был изготовлен временный эталон массы в виде металлического предмета в тысячу раз тяжелее, чем грамм, — 1 кг.

Французский химик Луи Лефёвр-Жино ( англ.   Louis Lefèvre-Gineau ) и итальянский натуралист Джованни Фабброни ( англ.   Giovanni Fabbroni ) после нескольких лет исследований решили переопределить наиболее устойчивую точку воды: температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, которая была определена в 4 °C . Они решили, что 1 дм³ воды при своей максимальной плотности эквивалентен 99,9265 % массы временного эталона килограмма, изготовленного четыре года назад . Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, согласно современному определению тоже составляет приблизительно 1000,0 килограммов .

Временный эталон был изготовлен из латуни и постепенно покрылся бы патиной , что было нежелательно, поскольку его масса не должна была меняться. В 1799 году под руководством Лефёвра-Жено и Фабброни был изготовлен постоянный эталон килограмма из пористой платины , которая химически инертна. С этого момента масса эталона стала основным определением килограмма. Сейчас этот эталон известен как kilogramme des Archives (с  фр.  —  «архивный килограмм») .

Копия эталона 1 кг, хранится в США
Дрейф массы копий эталона

За XIX век технологии измерения массы значительно продвинулись. В связи с этим, а также в преддверии создания в 1875 году Международного бюро мер и весов , специальная международная комиссия запланировала переход к новому эталону килограмма. Этот эталон, называемый «международный прототип килограмма», был изготовлен из платиново-иридиевого сплава (более прочного, чем чистая платина) в виде цилиндра высотой и диаметром 39 мм , и с тех пор он хранится в Международном бюро мер и весов. В 1889 году было принято международное определение килограмма как массы международного прототипа килограмма ; это определение действовало до 2019 года.

Были изготовлены также копии международного прототипа килограмма: шесть (на данный момент) официальных копий; несколько рабочих эталонов, используемых, в частности, для отслеживания изменения масс прототипа и официальных копий; и национальные эталоны, калибруемые по рабочим эталонам . Две копии международного эталона были переданы России , они хранятся во ВНИИ метрологии им. Менделеева .

За время, прошедшее с изготовления международного эталона, его несколько раз сравнивали с официальными копиями. Измерения показали рост массы копий относительно эталона в среднем на 50 мкг за 100 лет . Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место . Для оценки величины абсолютного изменения массы международного прототипа килограмма приходилось строить модели, учитывающие результаты сравнений масс самого прототипа, его официальных копий и рабочих эталонов (при этом, хотя обычно участвующие в сравнении эталоны обычно предварительно промывали и чистили, но не всегда), что дополнительно усложнялось отсутствием полного понимания причин изменений масс. Это привело к пониманию необходимости ухода от определения килограмма на основе материальных предметов .

В 2011 году XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию, в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов . В частности предлагалось, что «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X⋅10 −34 , когда она выражается единицей СИ м 2 ·кг·с −1 , которая равна Дж·с». В Резолюции отмечается, что сразу после предполагаемого переопределения килограмма масса его международного прототипа будет равна 1 кг , но это значение приобретёт погрешность и впоследствии будет определяться экспериментально. Такое определение килограмма стало возможным благодаря прогрессу физики в XX веке.

В 2014 году было проведено внеочередное сравнение масс международного прототипа килограмма, его официальных копий и рабочих стандартов; на результатах этого сравнения основаны рекомендованные значения фундаментальных постоянных CODATA 2014 и 2017 годов, на которых, в свою очередь, основывается новое определение килограмма.

Рассматривалось также альтернативное определение килограмма, основанное на результатах работы проекта «Авогадро» ( англ.   The Avogadro Project ). Команда проекта, создав сферу из кристалла моноизотопного кремния 28 Si массой 1 кг и рассчитав количество атомов в ней, предполагает описать килограмм как определённое количество атомов данного изотопа кремния . Однако Международное бюро мер и весов не стало использовать такой вариант определения килограмма .

XXVI Генеральная конференция по мерам и весам в ноябре 2018 года одобрила новое определение килограмма, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступило в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

Кратные и дольные единицы

По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10 −3 кг).

Вместо мегаграмма (1000 кг), как правило, используют единицу измерения « тонна ».

В определениях мощности атомных бомб в тротиловом эквиваленте вместо гигаграмма применяется килотонна , вместо тераграмма — мегатонна.

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
10 1 г декаграмм даг dag 10 −1 г дециграмм дг dg
10 2 г гектограмм гг hg 10 −2 г сантиграмм сг cg
10 3 г килограмм кг kg 10 −3 г миллиграмм мг mg
10 6 г мегаграмм Мг Mg 10 −6 г микрограмм мкг µg
10 9 г гигаграмм Гг Gg 10 −9 г нанограмм нг ng
10 12 г тераграмм Тг Tg 10 −12 г пикограмм пг pg
10 15 г петаграмм Пг Pg 10 −15 г фемтограмм фг fg
10 18 г эксаграмм Эг Eg 10 −18 г аттограмм аг ag
10 21 г зеттаграмм Зг Zg 10 −21 г зептограмм зг zg
10 24 г иоттаграмм Иг Yg 10 −24 г иоктограмм иг yg
      применять не рекомендуется       не применяются или редко применяются на практике

См. также

Примечания

Комментарии
  1. Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), Национальным метрологическим бюро ( англ.   National Measurement Office ) Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады , и Национальным институтом измерений ( англ.   National Measurement Institute ) Австралии.
  2. Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба [со стороной] в десятую часть метра». Оригинальный текст: « Litre , la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre. »
  3. Современные измерения показывают, что температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, составляет 3,984 °C. Однако учёные конца XVIII века использовали значение 4 °C.
  4. Временный эталон килограмма был изготовлен в соответствии с единственным неточным измерением плотности воды, сделанным ранее Антуаном Лавуазье и Рене Жюст Гаюи , которое показало, что один кубический дециметр дистиллированной воды при 0 °C имеет массу в 18 841 гран согласно французской системе мер ( англ.   Units of measurement in France ), которой скоро предстояло исчезнуть. Более новое и аккуратное измерение, проведённое Лефёвром-Жино и Фабброни, показало, что масса кубического дециметра воды при температуре 4 °C составляет 18 827,15 гран
Источники
  1. Деньгуб В. М. , Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. — М. : Издательство стандартов, 1990. — С. 61. — 240 с. — ISBN 5-7050-0118-5 .
  2. Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
  3. Draft Resolution A "On the revision of the International System of units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) , < https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM/Draft-Resolution-A-EN.pdf >  
  4. Decision CIPM/105-13 (October 2016) . The day is the 144th anniversary of the Metre Convention .
  5. Unit of mass (kilogram)   (англ.) . SI Brochure: The International System of Units (SI) [8th edition, 2006; updated in 2014] . BIPM . Дата обращения 11 ноября 2015.
  6. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации   (недоступная ссылка) . Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений . Росстандарт . Дата обращения 28 февраля 2018. Архивировано 18 сентября 2017 года.
  7. Verifications   (англ.) . Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) . BIPM . Дата обращения 8 октября 2015.
  8. Kilogram: Mass and Planck's Constant   (англ.) . NIST . Дата обращения 18 ноября 2018.
  9. Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. Quantum Metrology: Foundation of Units and Measurements . John Wiley & Sons, 2015.  (англ.) С. 165—167.
  10. Robinson I. A., Schlamminger S. The watt or Kibble balance: a technique for implementing the new SI definitionof the unit of mass   (англ.)  // Metrologia. — 2016. — Vol. 53 . — P. A46-A74 . — DOI : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
  11. Michael Stock. The watt balance: determination of the Planck constant and redefinition of the kilogram // Royal Society Discussion Meeting: The new SI, January 2011.  (англ.) С. 10.
  12. Алексей Понятов. Последним сдался килограмм  // Наука и жизнь . — 2019. — № 3 . — С. 3-7 .
  13. Fowler, HW. The Concise Oxford Dictionary / HW Fowler, FG Fowler. — Oxford : The Clarendon Press, 1964.
  14. Décret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 avril 1795)   (фр.) . Grandes lois de la République . Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Дата обращения 3 ноября 2011. Архивировано 10 мая 2013 года.
  15. Kilogram   (недоступная ссылка) . Oxford English Dictionary . Oxford University Press. Дата обращения 3 ноября 2011. Архивировано 10 мая 2013 года.
  16. Kilogram . Oxford Dictionaries . Дата обращения 3 ноября 2011. Архивировано 10 мая 2013 года.
  17. Spelling of "gram", etc . Weights and Measures Act 1985 . Her Majesty's Stationery Office (30 октября 1985). Дата обращения 6 ноября 2011. Архивировано 10 мая 2013 года.
  18. "kilo (n1)" , Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394 > . Проверено 8 ноября 2011.  
  19. "kilo (n2)" , Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395 > . Проверено 8 ноября 2011.  
  20. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction) (PDF). Дата обращения 3 апреля 2011. Архивировано 10 мая 2013 года.
  21. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Transcription) (PDF). Дата обращения 3 апреля 2011. Архивировано 10 мая 2013 года.
  22. Decree on weights and measures   (фр.) (7 avril 1795). — « 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.». Архивировано 10 мая 2013 года.
  23. Gattel C. M. Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise . — 1797. — Vol. 2. — P. 695.
  24. L'histoire du mètre, la détermination de l'unité de poids . Архивировано 10 мая 2013 года.
  25. Richard S. Davis, Pauline Barat and Michael Stock. A brief history of the unit of mass: continuity of successive definitions of the kilogram // Metrologia. — 2016. — Vol. 53. — P. A12–A18. — DOI : 10.1088/0026-1394/53/5/A12 .
  26. Килограмм / К. П. Широков // Кварнер — Конгур. — М.  : Советская энциклопедия, 1973. — ( Большая советская энциклопедия  : [в 30 т.]  / гл. ред. А. М. Прохоров  ; 1969—1978, т. 12).
  27. Why change the SI?   (англ.) на сайте Международного бюро мер и весов
  28. Towards a redefinition of the kilogram   (англ.) . The BIPM watt balance . BIPM . Дата обращения 10 октября 2015.
  29. On the future revision of the International System of Units, the SI   (англ.) . Resolution 1 of the 24th CGPM (2011) . BIPM. Дата обращения 11 ноября 2015.
  30. The Avogadro Project   (недоступная ссылка) . Дата обращения 8 октября 2015. Архивировано 7 апреля 2014 года.
  31. On the future revision of the International System of Units, the SI   (англ.) . Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) . BIPM. Дата обращения 11 ноября 2015.

Литература

  • Смирнова Н. А. Единицы измерений массы и веса в Международной системе единиц. — М, 1966.

Ссылки

© 2014-2019 ЯВИКС - все права защищены.
Наши контакты/Карта ссылок