Килогра́мм (обозначение: кг, kg) - единица измерения массы, одна из основных единиц СИ [система единиц/измерений].

На данный момент килограмм - единственная единица СИ, которая определена при помощи предмета, изготовленного людьми. Все остальные единицы теперь определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов.

Эталон был изготовлен в 1889 г. и с тех пор хранится в Международном бюро мер и весов * (расположено в г. Севр близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39.17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Хранится он под тремя герметичными стеклянными колпаками. Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4°C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
Были изготовлены также точные официальные копии международного эталона, которые используются как национальные эталоны килограмма. Всего было создано более 80 копий. Копии международного эталона хранятся также и в Российской Федерации, во ВНИИ метрологии им. Менделеева . Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам за сто лет международный эталон теряет 3х10 −8 своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.

Для устранения этих неточностей в настоящее время рассматриваются различные варианты переопределения килограмма на основе фундаментальных физических законов.

Также с 2003 года международная группа исследователей из 8 стран, в том числе из Германии, Австралии, Италии и Японии, под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) ведет работы по переопределению килограмма как массы определённого числа атомов изотопа кремния-28. Второй проект, под названием «Электронный килограмм» начат в 2005 г. в (NIST). Руководитель данного проекта Ричард Стайнер утверждает, что над созданием «электронного килограмма» он работает более десяти лет. Учёные под руководством доктора Стайнера создали прибор, который измеряет мощность, необходимую для генерации электромагнитного поля, с помощью которого можно поднять один килограмм массы. С его помощью учёным удалось определить массу в один килограмм с точностью до 99,999995 %, пишут на Википедии .

Ученые приближаются к нефизическому описанию килограмма после открытия того, что металлический эталон, используемый в качестве международного стандарта начал по непонятным причинам терять вес.

Исследователи говорят, что им еще предстоит пройти определенный путь, прежде чем определение будет дано, но в случае успеха это привело бы к принятию нового международного стандарта, используемого для определения килограмма.

Ученые говорят, что именно описание килограмма столь важно, так как он является основной физической единицей весов, от которой все остальные уже вычисляются как производные. Сейчас эквивалент килограмма - это металлический брусок, весом около 2,2 британских фунтов [...] .

Однако в 2007 году было установлено, что эталон начал терять вес, в частности ученые определили, что килограммовый брусок стал весить на 50 микрограмм меньше, нескольких десятков точных копий. То есть, можно сказать, что эталон потерял вес, сопоставимый с весом песчинки. В связи с этим, физики предполагают, что брусок может и дальше терять свой вес.

Кроме того, ученые говорят, что другие основополагающие единицы, такие как ампер, вольт, моль, метр и другие не привязаны к каким-либо физическим ссылкам.

Ранее немецкие специалисты из Национального института метрологии в Брауншвейге сообщили, что будут использовать новую 10-сантиметровую кремниевую сферу в качестве эталона килограмма. По мнению ученых, новый эталон более точен и стабилен, нежели используемый сейчас.

Цель нового проекта заключается в создании более надежного эталона, точность которого измеряется на атомном уровне. Ученые говорят, что атомы кремния для этого проекта подходят идеально, так как они очень стабильны, а их соединения почти не разрушаются в стандартных условиях.

Примечательно, что частично новый кремниевый эталон килограмма был разработан в России. Также в проекте приняли участие ученые из Австралии и Японии. Всего на изготовление кремниевой сферы беспрецедентной точности было потрачено 2 миллиона евро, а процесс ее создания занял чуть меньше 5 лет.

По словам Петера Бекера, руководителя проекта, для создания килограммового эталона физики рассчитали сколько атомов кремния должно находиться в 1 килограмме этого элемента, после чего приступили к «сборке» эталона. Однако Бекер подчеркивает, что и новая сфера не является идеально точной, так как сегодняшняя наука не способна сложить макрообъект в буквальном смысле слова, собирая его по атомам, пишет ZN.UA по материалам CyberSecurity .

* Справка: Что такое Международное бюро мер и весов?

Учреждено в 1875 г., вместе с подписанием Метрической конвенции . Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции.

В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.

В разные годы бюро возглавляли известные европейские ученые: G. Govi (Италия, 1875-1877) , J. Pernet (Швейцария, 1877-1879) , O.-J. Broch (Норвегия, 1879-1889) , J.-R. Benoit (Франция, 1889-1915) , C.-E. Guillaume (Швейцария, 1915-1936) , A. Perard (Франция, 1936-1951) , C. Volet (Швейцария, 1951-1961) , J. Terrien (Франция, 1962-1977) , P. Giacomo (Франция, 1978-1988) , T. J. Quinn(Великобритания, 1988-2003) .

С 2004 года по настоящий момент директором МБМВ является профессор Эндрю Уоллард (A. J. Wallard ), Великобритания. Бюро финансируется странами-участницами Метрической конвенции.

Существует также Главная палата мер и весов , которая была учреждена в 1893 году в Санкт-Петербурге по инициативе Д. И. Менделеева, учёного-хранителя Депо образцовых мер и весов , которое и было преобразовано в Главную палату.

Главная палата мер и весов являлась центральным учреждением Министерства финансов, заведовавшим поверочной частью в Российской империи и подчиненным отделу торговли.

По Положению о мерах и весах 1899 задачей Палаты являлось «сохранение единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов»; по закону 1901 на нее было возложено заведование местными поверочными палатками, временными их отделениями, распределение по тем и другим состоявших при Палате поверителям, командирование их и др., а также решение различных вопросов по метрологии и ведение отчетности по поступлению в казну сборов за клеймение мер и весов. В самой Палате устройство поверочного дела было доведено до возможного научно-технического совершенства.

Сегодня ВНИИМ является одним из крупнейших мировых центров научной и практической метрологии, головной организацией страны по фундаментальным исследованиям в метрологии и главным центром государственных эталонов России. Подчинен Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии.

В июле 1994 года Постановлением Правительства РФ ВНИИМ присвоен статус Государственного научного центра РФ. Как Государственный научный центр РФ ВНИИМ подчинен Министерству образования и науки России и входит в Ассоциацию государственных научных центров, пишут на Википедии .

Что такое килограмм? Детский вопрос! Это же масса литра воды. Чтобы получить его в домашних условиях, достаточно иметь водопроводный кран и литровую банку. Но вот «настоящее и полновесное» эталонное кило в последнее время стремительно теряет в весе.

Увы, всемирный эталон килограмма, как явствует из New York Times, стал жертвой загадочной и продолжительной болезни. Заглянем в анамнез.

В XVIII веке килограмм был определён как масса кубического дециметра воды при температуре её наибольшей плотности (4 o С). Как оказалось, такое определение не вполне конструктивно: нужен очень точный кубический дециметр, совершенно чистая вода и абсолютно правильный термометр.

За дополнительными сведениями о заболевшем обратимся в Книгу Судеб - БСЭ.

«Килограмм, единица массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Он равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов. Прототип в 1799 году был выполнен в виде цилиндрической гири из платины.

Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 грамма больше массы одного кубического дециметра воды.

Самый главный на сегодняшний день килограмм - просто кусок железа (фото bipm.org).

В 1889 году было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа была утверждена гиря со знаком К („К“ готическое заглавное), изготовленная из платиноиридиевого сплава (10% Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм».

Оказывается, сработанный английским ювелиром платиноиридиевый килограмм - единственная основная единица СИ, доблестно хранящая своё определение аж с позапрошлого века. И сама хранящаяся в виде материального артефакта.

Метр, например, поначалу соотнесённый с длиной земной окружности, теперь приравнен к расстоянию, проходимому светом за одну 299792458-ю долю секунды. А собственно секунда - это время, за которое атом цезия совершает 9192631770 колебаний.

Мало того, что эти единицы определены с подобающей квантовой точностью, они ещё могут быть адекватно воспроизведены в любой точке мира. Клонировать килограмм куда сложнее, вдобавок для этого требуется сложная бюрократическая процедура.

Видимо, долгое время такое уникальное положение килограмма всех устраивало, раз не было достаточных побудительных оснований к созданию его скрупулёзной формулы.

Но переменчивый килограмм тянет за собой в дрейфующее плавание и Ватт, и другие смежные единицы измерения.

А в изменчивости килограмма не осталось никаких сомнений, несмотря на все меры предосторожности: эталон хранится под тремя герметичными стеклянными колпаками в сейфе охраняемого замка в окрестностях Парижа, а ключи от сейфа имеют лишь три особо приближенных бюрократа из Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures — BIPM).

Килограмм и 6 его приспешников хранятся в постоянно запертом сейфе (фото bipm.org).

Вместе с главным килограммом в сейфе располагаются 6 преемников, а всего за время правления по его образу и подобию было изготовлено более 80 копий.

Для освидетельствования престарелого килограмма, происходящего раз в год, он торжественно извлекается из своего хранилища. И каждый раз обнаруживается микроскопическое уменьшение веса.

Килограмм чахнет. Об этом ясно говорят сравнения с другими обитателями сейфа. Природа болезни загадочна, но все симптомы налицо: за сто лет килограмм теряет около 0,00000003-й части своей драгоценной массы.

А ведь даже похудение всего на 50 микрограмм (меньше веса соляной крупинки) может серьёзно исказить результаты сложных научных вычислений. Не вызывает сомнений необходимость замены уникального килограмма на абстрактный килограмм.

Международная команда исследователей из Германии, Австралии, Италии и Японии под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) хочет переопределить килограмм как массу определённого числа атомов. В лаборатории сделан совершенно круглый килограммовый шар из чистого кристаллического кремния.

Если точно известно, какие атомы составляют кристалл и на каком расстоянии они находятся друг от друга, то, измерив размер шара, можно вычислить число атомов кремния, его составляющих. Это число и будет определением килограмма.

Для производства шара необходимо было получить изотоп кремния очень высокой степени очистки. Помощь в этом начинании оказала Россия - на старых, ещё советских ядерных оружейных фабриках имеются центрифуги, использовавшиеся для выработки высокообогащённого урана.

Возможно, этот кремниевый шар станет новым килограммом. Но только в виде числа составляющих его атомов (фото nytimes.com).

Полученный шар потребовалось измерить на «круглость». Кристалл был педантично замерен в полумиллионе точек. Вывод: шар - самое круглое творение рук человеческих. Если увеличить шар до размеров Земли, высота Эвереста составит всего четыре метра.

Интригующая особенность шара: совершенно невозможно на глаз определить, покоится он или вращается. Только если на поверхность упадёт пылинка, взгляду будет за что зацепиться.

Хотя число атомов кремния, составляющих уникальный объект, ещё не подсчитано, методика уже вызывает критику из другого лагеря, сплотившего учёных из США, Англии, Франции и Швейцарии.

По их мнению, с сегодняшними технологиями невозможно точно сосчитать число атомов, поэтому килограмм легче и надёжнее вычислить, используя электрическое напряжение. Измерение энергии, дескать, проще подсчёта атомов. Может и проще, но только не на словах.

В работе используется сложный механизм, называемый балансом Ватта. В основу методики положена эквивалентность механической и электрической мощности.

Следует создать электромагнитное поле, поместить в него эталонный килограмм, и замерить параметры эксперимента. Поскольку гравитационное поле постоянно и детерминировано местоположением трёхэтажной установки, через эталонный килограмм можно связать значения механических и электрических величин.

Правда, надо ещё учесть приливно-отливные воздействия, а прочие проявления внешней среды можно исключить, поместив установку в глубокий вакуум.

Кремниевая сфера, созданная в Австралийской Национальной лаборатории измерений (Australia’s National Measurement Laboratory — NML).

Измерив значения длины, времени, электрического тока и сопротивления (а все они могут быть вычислены на основе фундаментальных и инвариантных квантовых явлений) можно квантовым же способом оцифровать и основную единицу - килограмм. Подобным образом была уже определена масса электрона.

О точности изощрённого и окольного способа вычисления килограмма говорить пока рано, учёные поглощены устранением колебаний напряжения в электрических цепях. Однако они уверены, что победа будет за ними, а не за конструкторами кремниевых шаров.

По информации New York Times, секция массы BIMP - инстанция, в конечном счёте, определяющая судьбу килограмма - склоняется к последнему подходу, но сделать окончательный выбор пока что очень сложно. Но выбирать хотят между этим двумя, хотя существуют и другие варианты.

Например, как и всё в нашем мире купли-продажи, пресловутый килограмм может иметь точное ценовое выражение.

Для его исчисления надо узнать количество атомов в килограмме чистого золота. По сегодняшним прикидкам, в таком числе должно быть порядка 25 цифр, но ничего более определённого сказать о нём нельзя.

Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определœение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделœеева.

Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, чересчур чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, данный прототип до сих пор служит всœеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. В случае если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.

За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем данный прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр.
Размещено на реф.рф
В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. В случае если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия бывают очень трагичными. Ученые всœего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.

Эталоны времени .

Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. К примеру, мобильная связь, мобильный телœефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди всœе видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.

Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсœем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.

Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителœен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определœение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителœей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всœего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Далее данные всœех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всœего в одну наносœекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.

ʼʼХранители времениʼʼ. Как бы загадочно должность этих специалистов ни звучала, атомные часы в Институте радиотехнических измерений, по которым сверяет стрелки вся страна, не выглядят фантастически. Хотя здесь оперируют нано и пико секундами, человеку почувствовать такую точность не дано.

ʼʼКогда говорят о точном времени, то в своей массе, на бытовом уровне, люди слышат, передающие сигналы проверки времени по радио ʼʼпи, пи, пиʼʼ, вот это точное время. На самом делœе это время с нашей колокольни мало точное, очень скромной точности. Национальная шкала времени та͵ которую мы здесь формируем. Погрешность за сутки составляет приблизительно несколько стомиллиардных долей секунды в суткиʼʼ, Чтобы атомные часы убежали вперед или отстали на секунду, должны пройти миллионы лет. Главные потребители эталонного времени – сотовая связь и навигация.

ʼʼСовременные системы радионавигации пользуются электромагнитными сигналами, которые распространяются со скоростью светаʼʼ. За миллиардную долю секунды свет распространяется на 30 сантиметров. В случае если мы хотим с помощью ГЛОНАСС определять своё местоположение с метровой точностью, это значит, что вся система должна работать с погрешностью одну – две миллиардные доли секунды. GPS, ГЛОНАСС - ϶ᴛᴏ система спутников, которые предназначены для точного определœения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR – американская группировка спутников, ГЛОНАСС – российская.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Полвека. Бурное развитие квантовой физики привело к тому, что в серединœе XX века появились первые атомные часы, а Международный комитет по мерам и весам принял решение перейти на атомный стандарт. Современный эталон времени - ϶ᴛᴏ цезиевый репер частоты. Прибор за стеклом, заходить в комнату нельзя, т.к. у прибора ʼʼтепличные условияʼʼ, они созданы специально для того, чтобы внешний мир не мешал работе. А если говорить о точности, то это десятимиллионная часть миллиардной доли секунды. Выговорить и осмыслить сложно. Казалось бы, что ещё в природе должна быть точнее? Оказывается, может - нейтронные звёзды. Пульсары или нейтронные звезды - это то, во что превращаются звёзды после своей гибели. Οʜᴎ взрываются, быстро закручиваются. Появляется шар с желœезной оболочкой и огромной силой притяжения, излучающий волны со строгой периодичностью. ʼʼЭлектрическое поле вырывает электроны прямо с поверхности звезды, а она желœезная, они летят, ускоряются и в направлении своего движения они излучают разные волныʼʼ. Пульсары открыли английские астрономы в 1967 году. Информация долго была секретной. Думали, что это сигнал внеземных цивилизаций. Ведь не могут природные объекты давать радиосигналы с такой частотой. Привлекали даже шифровальщиков. При этом гипотеза об искусственном происхождении вспышек не подтвердилась. ʼʼВ случае если бы мы захотели с кем-то вступить в контакт, - говорит Михаил Попов, - можно подавать позывные, они никакой информации не несут, импульсы, которые в жизни не должны образовываться. Пока не открыли пульсары, так думалиʼʼ. Идею, использовать пульсары для сверки земных часов, предложили российские ученые. Точность звёздных импульсов превосходит атомный эталон на несколько порядков. Получается, что вскоре, на вопрос: ʼʼКоторый час?ʼʼ человечеству будет отвечать Вселœенная.

Новое определение килограмма , основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступит в силу 20 мая 2019 года. При этом с практической точки зрения величина килограмма не изменится, но существующий «прототип» (эталон) более не будет определять килограмм, а станет очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.

Прототип килограмма

Килограмм и постоянная Планка

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.

где U 1 I 2 {\displaystyle U_{1}I_{2}} - произведение электрического тока во время балансирования массы и напряжения в процессе калибровки, - произведение ускорения свободного падения g {\displaystyle g} и скорости катушки v 1 {\displaystyle v_{1}} во время калибровки весов. Если g v 1 {\displaystyle gv_{1}} 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 U 1 {\displaystyle U_{1}} и I 2 {\displaystyle I_{2}} 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 I 2 = U 2 R {\displaystyle I_{2}={\frac {U_{2}}{R}}} , где R {\displaystyle R} - электрическое сопротивление , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\displaystyle U_{1}I_{2}={\frac {U_{1}U_{2}}{R}}} ; эффект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\displaystyle U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)} ; квантовый эффект Холла: R (i) = 1 i (h e 2) {\displaystyle R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)} ,

где n {\displaystyle n} и i {\displaystyle i} - целые числа (первое связано со ступенькой Шапиро , второе - фактор заполнения плато квантового эффекта Холла), f {\displaystyle f} - частота из эффекта Джозефсона, e {\displaystyle e} - заряд электрона . После подстановки выражений для U {\displaystyle U} и R {\displaystyle R} в формулу для мощности и объединения всех целочисленных коэффициентов в одну константу C {\displaystyle C} , масса оказывается линейно связанной с постоянной Планка:

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

Этимология и употребление

Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme », которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι » (chilioi ), что означает «тысяча» и «γράμμα » (gramma ), 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 .

Природа массы

Измерение массы через вес тела - действие силы тяжести на измеряемый объект вызывает деформацию пружины.

Измерение гравитационной массы - действие силы тяжести на измеряемый объект уравновешено действием силы тяжести на противовес.

Килограмм является единицей массы , величины , которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса характеризует два различных свойства тела: гравитационное взаимодействие с другими телами и инертность . Первое свойство выражается законом всемирного тяготения : гравитационное притяжение прямо пропорционально произведению масс. Инертность находит отражение в первом (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила) и втором законе Ньютона: a = F/m ; то есть объект массой m в 1 кг получит ускорение a в 1 метр в секунду за секунду (около одной десятой ускорения свободного падения , вызванного притяжением Земли) , когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон . По современным представлениям, гравитационная и инертная массы эквивалентны .

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.

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.

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 продолжит действовать до мая 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 The Avogadro Project. Команда проекта, создав сферу из изотопа 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 вступит в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, и согласно современному определению составляет приблизительно 1000,0 килограммов .

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 ».

См. также

Примечания

Комментарии

1. Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, (NIST), Национальным метрологическим бюро (англ. National Measurement Office ) Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады , и (англ. ) Австралии.
2. В профессиональной метрологии ускорение, вызванное притяжением Земли, принимается как стандартное ускорение свободного падения (обозначается символом g ), которое определяется как точно 9,80665 м/с². Выражение 1 м/с² означает, что каждую секунду скорость изменяется на 1 метр в секунду.
3. В соответствии с теорией относительности и использовавшейся в первые десятилетия после её создания терминологией, масса тела m возрастает при увеличении скорости его движения согласно формуле m = γm 0 , где m 0 - масса покоящегося тела, а γ - Лоренц-фактор , значение которого определяется отношением скорости тела к скорости света . Этот эффект пренебрежимо мал, когда тела движутся с обычными для земных условий скоростями, которые на много порядков меньше скорости света, и с высокой точностью выполняется γ = 1 . В современной физике используется другая терминология: массой принято называть только не зависящую от скорости движения тела величину m 0 , а зависящей от скорости величине γm 0 специального наименования не присваивают и самостоятельного физического смысла не придают .
4. 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. »
5. Современные измерения показывают, что температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, составляет 3,984 °C. Однако учёные конца XVIII века использовали значение 4 °C.
6. 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. Unit of mass (kilogram) (англ.) . SI Brochure: The International System of Units (SI) . BIPM . Проверено 11 ноября 2015.
3. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (неопр.) . Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений . Росстандарт . Проверено 28 февраля 2018.
4. Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
5. Verifications (англ.) . Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) . BIPM . Проверено 8 октября 2015.

Определение единицы массы - килограмма - было дано IIIГенеральной конференцией по мерам и весам 1901 г. в следующем виде:

"Килограмм - единица массы - представлен массой международного прототипа килограмма".

При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы была принята масса 1 кг, равная массе 1 дм 3 чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 o С).

В этот период были проведены точные измерения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.

В XIX в. было произведено повторное тщательное измерение массы 1 дм 3 воды, при этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0,28 г) меньше массы прототипа Архива.

Для того, чтобы при дальнейших, более точных взвешиваниях, не менять значения единицы массы, Международной комиссией по эталонам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

В 1883 г. были изготовлены 42 прототипа килограмма из платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) фирмой Джонсон, Маттей и К° и копии №12 и №26 получены по жребию Россией в 1889 г. согласно Метрической конвенции. Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении ГП “ВНИИМ им. Д.И.Менделеева”, г. С.-Петербург.

В состав государственного первичного эталона единицы массы кроме гири входят эталонные весы номер 1 (Рупрехта) и номер 2 (ВНИИМ) на 1кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы от прототипа номер 12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам (2 эталонам 1 раз в 10 лет).

Погрешность воспроизведения массы эталоном килограмма не превышает 2·10 -9 . Таким образом, эталон килограмма позволяет записывать результат измерения массы в лучшем случае числом из девяти цифр. Несмотря на все предосторожности, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной гири увеличилась на 0,02 мг. Объясняется это адсорбцией молекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверхность гири и образованием тонкой коррозионной пленки.

В связи с развитием работ по созданию новых эталонов единиц ФВ, основанных на атомных постоянных, предлагается использование в качестве эталона массы нейтрона. Другое предложение основано на воспроизведении единицы массы через счетное число атомов какого-нибудь химического элемента, например изотопа кремния-28. Для этого необходимо повысить точность определения числа Авогадро, на что сейчас направлены усилия многих лабораторий мира.

1.3.3 Эталон единиц времени и частоты

Еще в древности счет времени основывался на периоде обращения Земли вокруг своей оси. До недавнего времени секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток (т. к. продолжительность суток в течение года изменяется). Позднее было обнаружено, что вращение Земли вокруг своей оси происходит неравномерно. Относительная погрешность определения единицы времени в соответствии с этим определением составляла около 10 -7 , что было недостаточно для метрологического обеспечения измерителей времени и частоты. Поэтому в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца - тропический год (т.е. интервал между двумя весенними равноденствиями). Размер секунды был определен как 1/31556925,9744 часть тропического года. Поскольку тропический год также изменяется (около 5 с за 1000 лет), то за основу был взят тропический год, отнесенный к 12 ч эфемеридного времени (равномерно текущее время, определяемое астрономическим путем) 0 января 1900 года, что соответствует 12 ч 31 декабря 1899 г. Это определение секунды было зафиксировано в Международной системе единиц 1960 г. Данное определение позволило на 3 порядка (в 1000 раз) снизить погрешность определения единицы времени.

Успехи квантовой физики позволили использовать частоту излучения или поглощения при энергетических переходах в атомах цезия и водорода для определения размера единицы времени. XIIIГенеральная конференция по мерам и весам в 1967 г, приняла новое определение единицы времени - секунды:“Секунда – это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133”.

Выбор количества колебаний произведен таким образом, чтобы привязать “цезиевую”секунду к“тропической”.

В соответствии с определением единицы времени воспроизведение ее осуществляется цезиевым репером (рис. 1.4). Основой эталона является атомно-лучевая трубка. Атомы цезия-133 испускаются нагретым до температуры 100-150 0 С источником 1. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3, пролетая через который взаимодействуют с переменным электромагнитным полем СВЧ. Частота электромагнитных колебаний может регулироваться в небольших пределах.

1 - источник атомов цезия-133; 2, 4 - магниты; 3 - резонатор; 5 – детектор

Рисунок 1.4 - Структурная схема цезиевого репера

При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля и атомы переходят в основное состояние. Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются в детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Это служит основой стабилизации частоты в цезиевом репере, в котором электромагнитные колебания кварцевого генератора умножаются до частоты спектральной линии цезия, принятой за рабочую. В резонаторе атомно-лучевой трубки энергия высокочастотных колебаний поглощается атомами цезия.

При отклонении частоты кварцевого генератора (собственная нестабильность частоты равна 10 -8 от номинального значения) интенсивность переходов атомов и, следовательно, плотность атомного пучка на выходе трубки резко сокращается.

Блок автоподстройки, связанный с трубкой, вырабатывает сигнал ошибки, возвращающий частоту кварцевого генератора к номинальному значению. Стабильность цезиевого репера составляет 10 13 . Делитель частоты, находящийся в кварцевых часах, позволяет получить на их выходе требуемые частоты и временные интервалы (в том числе и частоту 1 Гц).

Долговременная стабильность цезиевого репера частоты невелика. Поэтому для хранения единиц времени и частоты в состав государственного первичного эталона входит водородный мазер (рис. 1.5).

1 - стеклянная трубка; 2 - коллиматор; 3 - шестиполюсной осевой магнит; 4 - накопительная ячейка; 5 - резонатор; 6 - многослойный экран

Рисунок 1.5 - Мазер на атомарном водороде

В стеклянной трубке 1 под действием высокочастотного электрического разряда происходит диссоциация молекул водорода. Пучок атомов водорода через коллиматор 2, обеспечивающий его направленность, попадает в неоднородное магнитное поле шестиполюсного осевого магнита 3, где претерпевает пространственную сортировку. В результате последней на вход накопительной ячейки 4, расположенной в объемном резонаторе 5, попадают лишь атомы водорода, находящиеся на верхнем энергетическом уровне. Находящийся внутри многослойного экрана 6 высокодобротный резонатор настроен на частоту используемого квантового перехода. Взаимодействие возбужденных атомов с высокочастотным полем резонатора (в течение примерно 1 с) приводит к их переходу на нижний энергетический уровень с одновременным излучением квантов энергии на резонансной частоте 1420405751,8 Гц. Это вызывает самовозбуждение генератора, частота которого отличается высокой стабильностью (510 -14). Значение этой частоты периодически поверяется по цезиевому реперу.

Наряду с водородным мазером для хранения шкал времени в состав государственного первичного эталона единиц времени и частоты и шкал времени входит группа квантово-механических часов. Общий диапазон временных интервалов, воспроизводимых эталоном, составляет 10 -8 10 8 с. Эталон расположен в ГП ВНИИФТРИ г. Москва.