Kilogram | |
---|---|
kg | |
| |
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. .
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 .
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]
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] .
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] .
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 |
č. 12, 26 - SSSR [32] (Rusko)
č. 20 – USA [32]
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
jednotky SI | |
---|---|
Základní jednotky | |
Odvozené jednotky se zvláštními názvy | |
Přijato pro použití s SI | |
viz také |