Kilogram

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. dubna 2022; kontroly vyžadují 6 úprav .
Kilogram
kg

Počítačem generovaný obrázek mezinárodního prototypu kilogramu s palcovým pravítkem vedle něj. Velikostně je srovnatelný s golfovým míčkem, hrany jsou zkosené pro minimalizaci opotřebení materiálu.
Hodnota Hmotnost
Systém SI
Typ hlavní
Viz předpony SI
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Kilogram (ruské označení: kg ; mezinárodní: kg ) je jednotka hmotnosti , jedna ze sedmi základních jednotek Mezinárodní soustavy jednotek (SI) . Navíc je to jednotka hmotnosti a je jednou ze základních jednotek v systémech ISS , MKSA , MKSK ( MKSG ), MKSL [1] . Kilogram je jedinou ze základních jednotek SI, která se používá s předponou („kilo“, symbol „k“).

XXVI. Generální konference pro váhy a míry (13.–16. listopadu 2018) schválila [2] definici kilogramu na základě stanovení číselné hodnoty Planckovy konstanty . Rozhodnutí nabylo právní moci dne 20.5.2019.

Kilogram, symbol kg, je jednotka SI hmotnosti; její hodnota se nastaví tak, že se číselná hodnota Planckovy konstanty h rovná přesně 6,62607015⋅10 -34 , když je vyjádřena v jednotce SI J⋅s, což je ekvivalent kg⋅m 2 ⋅s −1 , kde metr a sekunda jsou definovány c a Δ ν Cs . [3] [4]

Definici kilogramu, která platila do května 2019, přijala III. Generální konference pro váhy a míry (CGPM) v roce 1901 a byla formulována takto [5] [6] :

Kilogram je jednotka hmotnosti rovna hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.

Do 20. května 2019 zůstával kilogram poslední jednotkou SI definovanou z předmětu vyrobeného člověkem. Po přijetí nové definice se z praktického hlediska hodnota kilogramu nezměnila, ale stávající „prototyp“ (norma) již nedefinuje kilogram, ale jedná se o velmi přesnou váhu s potenciálně měřitelnou chybou. .

Prototyp kilogramu

Mezinárodní prototyp ( standard ) kilogramu je uložen v Mezinárodním úřadu pro váhy a míry (se sídlem v Sevres u Paříže ) a jedná se o válec o průměru a výšce 39,17 mm vyrobený ze slitiny platiny a iridia (90% platina, 10 % iridia).

Moderní mezinárodní etalon kilogramu byl vydán Generální konferencí pro váhy a míry (CGPM) v roce 1889 na základě Metrické úmluvy (1875) a uložen u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry (BIPM), jednajícího jménem CGPM. Mezinárodní standard kilogramu se téměř nikdy nepohybuje nebo nepoužívá. Jeho kopie jsou uchovávány v národních metrologických institucích po celém světě. V letech 1889, 1948, 1989 a 2014 byly kopie ověřeny etalonem, aby byla zajištěna jednotnost hmotnostních měření vzhledem k etalonu [7] . Protože byly objeveny změny v hmotnostech kopií standardu, Mezinárodní výbor pro váhy a míry (CIPM) doporučil, aby byl kilogram předefinován pomocí základních fyzikálních vlastností .

Kilogram a Planckova konstanta

Vztah mezi hmotností a Planckovou konstantou z teoretického hlediska určují dva vzorce [8] . Ekvivalence hmotnosti a energie souvisí s energií a hmotností :

kde  je rychlost světla ve vakuu. Planckova konstanta spojuje kvantové a tradiční pojetí energie:

kde  je frekvence .

Tyto dva vzorce, nalezené na počátku 20. století, zakládají teoretickou možnost měření hmotnosti prostřednictvím energie jednotlivých fotonů , ale praktické experimenty, které umožňují vztáhnout hmotnost a Planckovu konstantu, se objevily až na konci 20. .

Váha Kibble se používá od poloviny 70. let k měření hodnoty Planckovy konstanty. Zaměstnanci amerického Národního institutu pro standardy P. More ( ing.  Peter Mohr ) a B. Taylor ( ing.  Barry Taylor ) v roce 1999 naopak navrhli fixovat hodnotu Planckovy konstanty a určit hmotnost pomocí těchto vah. Posmrtně pojmenovaný po vynálezci B. KibbleKibbleova váha je vylepšením současné bilance , jedná se o elektromechanický nástroj, kde se hmotnost vypočítává pomocí elektrické energie :

kde  je součin elektrického proudu při vyvažování hmoty a napětí při kalibraci,  je součin gravitačního zrychlení a rychlosti cívky při kalibraci váhy. Pokud se měří nezávisle s vysokou přesností (praktické provedení experimentu vyžaduje také velmi přesné měření frekvence [9] ), předchozí rovnice v podstatě definuje kilogram jako funkci velikosti wattu (nebo naopak). Indexy y a jsou zavedeny, aby ukázaly, že se jedná o virtuální výkon (měření napětí a proudu se provádějí v různých časech), zabraňující účinkům ztrát (které by mohly být způsobeny například indukovanými Foucaultovými proudy ) [10] .

Vztah mezi wattem a Planckovou konstantou využívá Josephsonův jev a kvantový Hallův jev [9] [11] :

protože , kde  je elektrický odpor , ; Josephsonův efekt: ; kvantový Hallův jev: ,

kde a  jsou celá čísla (první souvisí s krokem Shapiro , druhým je faktor plnění kvantové plošiny Hallova jevu),  je frekvence z Josephsonova jevu,  je náboj elektronu . Po dosazení výrazů pro a do vzorce pro mocninu a zkombinování všech celočíselných koeficientů do jedné konstanty je hmotnost lineárně úměrná Planckově konstantě:

.

Protože všechny ostatní veličiny v této rovnici lze určit nezávisle na hmotnosti, mohla by být brána jako definice jednotky hmotnosti po stanovení hodnoty 6,62607015×10 −34 J s pro Planckovu konstantu. [12]

Etymologie a použití

Slovo "kilogram" pochází z francouzského slova " kgme ", které bylo vytvořeno z řeckých slov " χίλιοι " ( chilioi ), což znamená "tisíc" a " γράμμα " ( gram ), což znamená "malá hmotnost" [13] . Slovo « kilogram » bylo ve francouzštině opraveno v roce 1795 [14] . Francouzský pravopis slova přešel do Velké Británie, kde bylo poprvé použito v roce 1797 [15] , zatímco v USA bylo slovo používáno ve formě „ kilogram “, později se stalo populárním ve Velké Británii [16] [C 1 ] a váhy ( angl.  Weights and Measures Act ) ve Spojeném království nezakazuje používání obou hláskování [17] .

V 19. století byla francouzská zkratka „ kilo “ přijata do angličtiny, kde se používala pro označení kilogramů [18] i kilometrů [19] .

Historie

Myšlenku použití daného objemu vody k určení jednotky hmotnosti navrhl anglický filozof John Wilkins ve své eseji z roku 1668 jako způsob, jak spojit hmotnost a délku [20] [21] .

7. dubna 1795 byl gram ve Francii přijat jako „absolutní hmotnost objemu čisté vody rovnající se krychli [se stranou] setiny metru a při teplotě tajícího ledu“ [22] [23] . Zároveň byly svěřeny práce s potřebnou přesností na určení hmotnosti krychlového decimetru (litru) vody [K 2] [22] .

Vzhledem k tomu, že obchod a obchod se obvykle zabývají předměty, jejichž hmotnost je mnohem větší než jeden gram, a protože se standardem hmoty vyrobeným z vody by bylo nepohodlné manipulovat a uchovávat, bylo předepsáno najít způsob, jak uvést takovou definici do praxe. V tomto ohledu byl vyroben dočasný masový standard ve formě kovového předmětu tisíckrát těžšího než gram - 1 kg.

Francouzský chemik Louis Lefèvre - Gineau a  italský přírodovědec Giovanni Fabbroni se po několika letech výzkumu rozhodli předefinovat nejstabilnější bod vody: teplotu, při které má voda největší hustotu, která byla stanovena při 4 °C [K 3 ] [24] . Rozhodli, že 1 dm³ vody při její maximální hustotě odpovídá 99,9265 % hmotnosti dočasného kilogramového standardu vyrobeného před čtyřmi lety [K 4] . Zajímavé je, že hmotnost 1 m³ destilované vody při 4 °C a atmosférickém tlaku, braná jako přesně 1000 kilogramů v historické definici z roku 1799, podle moderní definice je také přibližně 1000,0 kilogramů [25] .  

Provizorní standarta byla vyrobena z mosazi a postupně se vyvíjela patina , což bylo nežádoucí, protože její hmota se neměla měnit. V roce 1799 byl pod vedením Lefevre-Genaulta a Fabbroniho vyroben stálý etalon kilogramu z porézní platiny , která je chemicky inertní. Od tohoto okamžiku se hmotnost etalonu stala hlavní definicí kilogramu. Nyní je tento standard známý jako kilogram des Archives (z  francouzštiny  –  „archivní kilogram“) [25] .

V průběhu 19. století výrazně pokročily technologie hromadného měření. V tomto ohledu a v očekávání vytvoření Mezinárodního úřadu pro váhy a míry v roce 1875 plánovala zvláštní mezinárodní komise přechod na nový kilogramový standard. Tato norma, nazývaná „mezinárodní prototyp kilogramu“, byla vyrobena ze slitiny platiny a iridia (pevnější než čistá platina) ve formě válce o výšce a průměru 39 mm [26] a od té doby je uchovávána Mezinárodním úřadem pro míry a váhy. V roce 1889 byla přijata mezinárodní definice kilogramu jako hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu [25] ; tato definice platila do roku 2019.

Byly vyrobeny také kopie mezinárodního prototypu kilogramu: šest (aktuálně) oficiálních kopií; několik pracovních standardů používaných zejména ke sledování změny hmotnosti prototypu a oficiálních kopií; a národní etalony kalibrované podle pracovních etalonů [25] . Dvě kopie mezinárodního standardu byly předány do Ruska [26] , jsou uloženy ve Všeruském výzkumném ústavu metrologie. Mendělejev .

Za dobu, která uplynula od výroby mezinárodního standardu, byl několikrát srovnáván s oficiálními kopiemi. Měření ukázala nárůst množství kopií ve srovnání se standardem v průměru o 50 µg za 100 let [27] [28] . Přestože absolutní změnu hmotnosti mezinárodního etalonu nelze určit pomocí stávajících metod měření, určitě k ní musí dojít [27] . K odhadu velikosti absolutní změny hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu bylo nutné postavit modely, které zohledňují výsledky srovnání hmotností samotného prototypu, jeho oficiální kopie a pracovní normy (na ve stejné době, ačkoli standardy účastnící se srovnání byly obvykle předem umyté a vyčištěné, ale ne vždy), což dále komplikovalo nedostatek úplného pochopení příčin hromadných změn. To vedlo k pochopení potřeby odklonit se od definice kilogramu založené na hmotných předmětech [25] .

V roce 2011 přijala XXIV. Generální konference pro váhy a míry rezoluci, která v budoucí revizi Mezinárodního systému jednotek (SI) navrhuje pokračovat v předefinování základních jednotek tak, aby nebyly založeny na umělých artefaktech, ale na základních fyzických konstanty nebo vlastnosti atomů [29] . Konkrétně bylo navrženo, že „kilogram zůstane jednotkou hmotnosti, ale jeho hodnota bude stanovena stanovením číselné hodnoty Planckovy konstanty přesně rovné 6,626 06X⋅10 −34 , když je vyjádřena v jednotce SI m 2 kg s −1 , což se rovná J With". Rezoluce uvádí, že bezprostředně po údajné nové definici kilogramu bude hmotnost jeho mezinárodního prototypu rovna 1 kg , ale tato hodnota bude mít chybu a bude následně určena experimentálně. Tato definice kilogramu se stala možnou díky pokroku fyziky ve 20. století.

V roce 2014 bylo provedeno mimořádné srovnání mezi hmotnostmi mezinárodního prototypu kilogramu, jeho oficiálními kopiemi a pracovními standardy; výsledky tohoto srovnání vycházejí z doporučených hodnot základních konstant CODATA z let 2014 a 2017, na kterých je založena nová definice kilogramu.

Uvažovalo se také o alternativní definici kilogramu na základě práce The Avogadro Project .  Projektový tým po vytvoření koule z krystalu monoizotopického křemíku 28 Si o hmotnosti 1 kg a výpočtu počtu atomů v ní navrhuje popsat kilogram jako určitý počet atomů daného izotopu křemíku [30] . Mezinárodní úřad pro váhy a míry však tuto verzi definice kilogramu nepoužil [29] [31] .

XXVI. Generální konference pro váhy a míry v listopadu 2018 schválila [2] novou definici kilogramu, založenou na stanovení číselné hodnoty Planckovy konstanty . Rozhodnutí vstoupilo v platnost na Světový den metrologie 20. května 2019.

V praxi je vážení na váze Kibble extrémně složitým experimentem, a proto Generální konference pro váhy a míry v roce 2011 doporučila vytvoření sady sekundárních etalonů v podobě známých závaží, zahrnujících jak stávající platino-iridiové etalony, tak i nové křemíkové kuličky, které budou dále využívány k distribuci standardu po celém světě [9] .

Násobky a dílčí násobky

Z historických důvodů název „kilogram“ již obsahuje desetinnou předponu „kilo“, takže násobky a podnásobky se tvoří přidáním standardních předpon SI k názvu nebo označení jednotky „gram“ (která je v soustavě SI sama o sobě dílčí: 1 g = 10 −3 kg).

Místo megagramu (1000 kg) se zpravidla používá měrná jednotka „ tuna “.

V definicích síly atomových bomb v ekvivalentu TNT se místo gigagramu používá kilotuna a místo teragramu se používá megatuna.

Násobky Dolnye
velikost titul označení velikost titul označení
10 1 g dekagram doug dag 10 -1 g dg dg dg
102 g _ hektogram gg hg 10 -2 g centigram sg cg
103 g _ kilogram kg kg 10 -3 g miligram mg mg
106 g _ megagram Mg mg 10 -6 g mikrogram mcg ug
109 g _ gigagram Gg gg 10 -9 g nanogram ng ng
10 12 g teragram Tg Tg 10 −12 g piktogramy str str
10 15 g petagram Str Str 10 -15 g femtogram fg fg
10 18 g exagram Např Např 10 -18 g attogram ag ag
10 21 g zettagram Zg Zg 10 -21 g zeptogram zg zg
10 24 g yottagramm Ig Yg 10 -24 g ioctogram ig yg
     doporučeno k použití      aplikace se nedoporučuje      v praxi nepoužívané nebo zřídka používané

Kopie

č. 12, 26 - SSSR [32] (Rusko)

č. 20 – USA [32]

Viz také

Poznámky

Komentáře
  1. Hláskování kilogram je moderní forma používaná Mezinárodním úřadem pro váhy a míry, Národním institutem pro standardy a technologii (NIST), Národním úřadem pro měření Spojeného království , Národní  výzkumnou radou Kanady a Národním institutem pro měření . Measurement Institute , Austrálie. 
  2. Stejná směrnice definovala litr jako „jednotku objemu pro kapaliny i pevné látky, která se rovná objemu krychle [se stranou] desetiny metru“. Původní text: " Liter , 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. Moderní měření ukazují, že teplota, při které má voda největší hustotu, je 3,984 °C. Vědci z konce 18. století však používali hodnotu 4 °C.
  4. Prozatímní etalon kilogramu byl proveden v souladu s jediným nepřesným měřením hustoty vody, které dříve provedli Antoine Lavoisier a René Just Gahuy , které ukázalo, že jeden decimetr krychlový destilované vody při 0 °C má hmotnost 18 841 zrn. podle francouzského systému měr ( angl.  Units of measurement in France ), který měl brzy zaniknout. Novější a přesnější měření Lefèvre-Ginota a Fabbroniho ukázalo, že hmotnost decimetru krychlového vody při 4 °C je 18 827,15 grainů.
Prameny
  1. Dengub V. M. , Smirnov V. G. Jednotky množství. Odkaz na slovník. - M . : Nakladatelství norem, 1990. - S. 61. - 240 s. — ISBN 5-7050-0118-5 .
  2. 12 cgpm26nist . _
  3. Návrh usnesení A „O revizi mezinárodní soustavy jednotek (SI)“, který bude předložen CGPM na jejím 26. zasedání (2018) , < https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM /Draft-Resolution-A-EN.pdf > Archivováno 29. dubna 2018 na Wayback Machine 
  4. Rozhodnutí CIPM/105-13 (říjen 2016) Archivováno 24. srpna 2017 na Wayback Machine . Tento den je 144. výročím Metrické úmluvy .
  5. Jednotka hmotnosti (kilogram  ) . Brožura SI: Mezinárodní systém jednotek (SI) [8. vydání, 2006; aktualizováno v roce 2014] . BIPM . Získáno 11. listopadu 2015. Archivováno z originálu 2. ledna 2021.
  6. Předpisy o jednotkách množství povolených pro použití v Ruské federaci (nedostupný odkaz) . Federální informační nadace pro zajištění jednotnosti měření . Rosstandart . Staženo 28. 2. 2018. Archivováno z originálu 18. 9. 2017. 
  7. Ověření  _ _ Usnesení 1 25. CGPM (2014) . BIPM . Získáno 8. října 2015. Archivováno z originálu 8. září 2015.
  8. Kilogram: Hmotnost a Planckova  konstanta . NIST . Získáno 18. listopadu 2018. Archivováno z originálu 19. listopadu 2018.
  9. 1 2 3 Goebel, Siegner, 2015 , str. 165-167.
  10. Robinson IA, Schlamminger S. Watt nebo Kibble balance: technika implementace nové definice SI jednotky hmotnosti   // Metrologia . - 2016. - Sv. 53 . - P.A46-A74 . - doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
  11. Michael Stock. Wattová bilance: určení Planckovy konstanty a redefinice kilogramu Archivováno 1. září 2012 na Wayback Machine // Diskusní setkání Royal Society: The new SI, leden 2011.  s . 10.
  12. Alexej Poniatov. Poslední kilogram se vzdal  // Věda a život . - 2019. - č. 3 . - str. 3-7 .
  13. Fowler, H.W.; Fowler, FG Stručný oxfordský slovník  . — Oxford: Oxford University Press , 1964.
  14. Decret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 avril 1795)  (francouzsky) . Grandes lois de la Republique . Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Získáno 3. listopadu 2011. Archivováno z originálu 10. května 2013.
  15. Kilogram (nedostupný odkaz) . Oxfordský anglický slovník . Oxford University Press. Získáno 3. listopadu 2011. Archivováno z originálu 10. května 2013. 
  16. Kilogram . Oxfordské slovníky . Získáno 3. listopadu 2011. Archivováno z originálu 10. května 2013.
  17. Pravopis „gram“ atd . Zákon o vahách a mírách z roku 1985 . Kancelář papírnictví Jejího Veličenstva (30. října 1985). Získáno 6. listopadu 2011. Archivováno z originálu 10. května 2013.
  18. kilo (n1) , Oxford English Dictionary (2. vyd.), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394 > . Staženo 8. listopadu 2011. . 
  19. kilo (n2) , Oxford English Dictionary (2. vyd.), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395 > . Staženo 8. listopadu 2011. . Archivováno 21. července 2015 na Wayback Machine 
  20. Esej ke skutečné postavě a filozofickému jazyku (reprodukce) (PDF). Získáno 3. dubna 2011. Archivováno z originálu 10. května 2013.
  21. Esej ke skutečné postavě a filozofickému jazyku (přepis) (PDF). Získáno 3. dubna 2011. Archivováno z originálu 10. května 2013.
  22. 1 2 Dekret o vahách a mírách  (francouzsky) (7. dubna 1795). " Gramme , le poids absolu d'un volume d'eau čistý égal au cube de la centième party du mètre, et à la température de la glace fondante." Archivováno z originálu 10. května 2013.
  23. Gattel CM Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise . - 1797. - Sv. 2. - S. 695.
  24. L'histoire du mètre, la Determination de l'unité de poids . Archivováno z originálu 10. května 2013.
  25. 1 2 3 4 5 Davis, Barat, Stock, 2016 .
  26. 1 2 Kilogram / K. P. Shirokov // Kvarner - Kongur. - M .  : Sovětská encyklopedie, 1973. - ( Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / šéfredaktor A. M. Prochorov  ; 1969-1978, sv. 12).
  27. 1 2 Proč měnit SI? Archivováno 27. ledna 2013 na Wayback Machine   na webových stránkách International Bureau of Weights and Measures
  28. Směrem k nové definici  kilogramu . Wattová bilance BIPM . BIPM . Získáno 10. října 2015. Archivováno z originálu 8. září 2015.
  29. 1 2 O budoucí revizi Mezinárodní soustavy jednotek,  SI . Usnesení 1 24. CGPM (2011) . BIPM. Získáno 11. listopadu 2015. Archivováno z originálu 4. března 2012.
  30. The Avogadro Project (downlink) . Získáno 8. října 2015. Archivováno z originálu dne 7. dubna 2014. 
  31. O budoucí revizi Mezinárodní soustavy jednotek,  SI . Usnesení 1 25. CGPM (2014) . BIPM. Získáno 11. listopadu 2015. Archivováno z originálu 14. května 2017.
  32. 1 2 Elliott, 1975 , str. 31.

Literatura

Odkazy