Kilogram

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 10 april 2022; kontroller kräver 6 redigeringar .

Kilogram
kg
En datorgenererad bild av den internationella prototypen av kilogram, med en tumlinjal bredvid. Den är i storlek jämförbar med en golfboll, kanterna är avfasade för att minimera materialslitage.
Värde	Vikt
Systemet	SI
Sorts	huvud
Se SI-prefix
Mediafiler på Wikimedia Commons

Kilogram (rysk beteckning: kg ; internationell: kg ) är en massenhet , en av de sju grundläggande enheterna i International System of Units (SI) . Dessutom är det en massenhet och är en av grundenheterna i systemen ISS , MKSA , MKSK ( MKSG ), MKSL [1] . Kilogrammet är den enda av de grundläggande SI-enheterna som används med prefixet ("kilo", symbol "k").

Den XXVI:s allmänna konferens om vikter och mått (13–16 november 2018) godkände [2] definitionen av kilogram baserad på fastställande av det numeriska värdet av Plancks konstant . Beslutet trädde i kraft den 20 maj 2019.

Kilogrammet, symbolen kg, är SI-enheten för massa; dess värde sätts genom att fixera det numeriska värdet av Plancks konstant h lika med exakt 6,62607015⋅10 -34 när det uttrycks i SI-enheten J⋅s, vilket är ekvivalent med kg⋅m 2 ⋅s −1 , där meter och sekund definieras av c och Δ ν Cs . [3] [4]

Definitionen av kilogram, som gällde fram till maj 2019, antogs av III General Conference on Weights and Measures (CGPM) 1901 och formulerades enligt följande [5] [6] :

Kilogrammet är en massenhet lika med massan av den internationella prototypen av kilogram.

Fram till den 20 maj 2019 förblev kilogram den sista SI-enheten som definierades från ett mänskligt skapat föremål. Efter antagandet av den nya definitionen, ur praktisk synvinkel, har värdet på kilogram inte ändrats, men den befintliga "prototypen" (standard) definierar inte längre kilogramet, utan är en mycket exakt vikt med ett potentiellt mätbart fel .

Prototyp av kilogram

Den internationella prototypen ( standard ) av kilogram lagras hos International Bureau of Weights and Measures (belägen i Sevres nära Paris ) och är en cylinder med en diameter och höjd på 39,17 mm gjord av en platina-iridiumlegering (90 % platina, 10 % iridium).

Den moderna internationella standarden för kilogram utfärdades av General Conference on Weights and Measures (CGPM) 1889 på grundval av den metriska konventionen (1875) och deponerades hos Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), som agerar på uppdrag av CGPM. Den internationella standarden för kilogram flyttas eller används nästan aldrig. Kopior av den förvaras i nationella metrologiska institutioner runt om i världen. År 1889, 1948, 1989 och 2014 verifierades kopior med en standard för att säkerställa enhetligheten av massmätningar i förhållande till standarden [7] . Eftersom förändringar i massorna av kopior av standarden upptäcktes, rekommenderade Internationella kommittén för vikter och mått (CIPM) att kilogram omdefinieras med hjälp av grundläggande fysikaliska egenskaper .

Kilogrammet och Plancks konstant

Relationen mellan massan och Plancks konstant ur en teoretisk synvinkel bestäms av två formler [8] . Ekvivalensen mellan massa och energi relaterar energi och massa : $E$ $m$

\E=mc^{2},

var är ljusets hastighet i vakuum. Plancks konstanta länkar samman kvant- och traditionella energibegrepp: $c$ $h$

E=h\nu ,

var är frekvensen . $\nu$

Dessa två formler, som hittades i början av 1900-talet, etablerar den teoretiska möjligheten att mäta massa genom energin hos enskilda fotoner , men praktiska experiment som gör det möjligt att relatera massan och Plancks konstant dök upp först i slutet av 1900-talet .

Kibble-balansen har använts sedan mitten av 1970-talet för att mäta värdet på Plancks konstant. Anställda vid US National Institute of Standards P. More ( eng. Peter Mohr ) och B. Taylor ( eng. Barry Taylor ) föreslog 1999, tvärtom, att fixera värdet på Plancks konstant och bestämma massan med hjälp av dessa vikter. Postumt uppkallad efter uppfinnaren B. Kibble, Kibble-balansen är en förbättring av strömbalansen , de är ett elektromekaniskt instrument där massan beräknas genom elektrisk kraft :

U_{1}I_{2}=mgv_{1},

där är produkten av den elektriska strömmen under massbalansering och spänningen under kalibrering, är produkten av gravitationsacceleration och spolhastighet under balanskalibrering. Om den mäts oberoende med hög noggrannhet (experimentets praktiska egenskaper kräver också en högprecisionsfrekvensmätning [9] ), definierar den föregående ekvationen i huvudsak kilogram som en funktion av storleken på watten (eller vice versa). Subskripten y och introduceras för att visa att detta är virtuell effekt (spännings- och strömmätningar görs vid olika tidpunkter), vilket undviker effekterna av förluster (som till exempel kan orsakas av inducerade Foucault-strömmar ) [10] . $U_{1}I_{2}$ $I_{2}$ $U_{1}$ ${\displaystyle gv_{1))$ $g$ $v_{1}$ ${\displaystyle gv_{1))$ $U_{1}$ $I_{2}$

Förhållandet mellan watt och Plancks konstant använder Josephson-effekten och kvant-Hall-effekten [9] [11] :

eftersom , var är det elektriska motståndet , ;

I_{2}={\frac {U_{2}}{R}}

R

U_{1}I_{2}={\frac {U_{1}U_{2}}{R}}

Josephson effekt: ;

U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)

kvant Hall effekt: ,

R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)

där och är heltal (den första är relaterad till Shapiro-steget , den andra är fyllningsfaktorn för kvant-Hall-effektplatån), är frekvensen från Josephson-effekten, är elektronladdningen . Efter att ha ersatt uttrycken för och i formeln för makt och kombinerat alla heltalskoefficienter till en konstant , är massan linjärt relaterad till Plancks konstant: $n$ $i$ $f$ $e$ $U$ $R$ $C$

{\displaystyle m=Cf_{1}f_{2}{\frac {h}{gv_{1))))

Eftersom alla andra storheter i denna ekvation kan bestämmas oberoende av massa, skulle det kunna tas som definitionen av massenheten efter att ha fixerat värdet 6,62607015×10 −34 J s för Plancks konstant. [12]

Etymologi och användning

Ordet "kilogram" kommer från det franska ordet " kgme ", som i sin tur bildades av de grekiska orden " χίλιοι " ( chilioi ), som betyder "tusen", och " γράμμα " ( gram ), som betyder "liten vikt" [13] . Ordet « kilogram » fastställdes på franska 1795 [14] . Den franska stavningen av ordet övergick till Storbritannien, där det användes första gången 1797 [15] , medan ordet i USA användes i formen " kilogram ", och blev senare populärt i Storbritannien [16] [C 1 ] och vikter ( Eng. Weights and Measures Act ) i Storbritannien förbjuder inte användningen av båda stavningarna [17] .

På 1800-talet antogs den franska förkortningen " kilo " på engelska, där den användes för att referera till både kilogram [18] och kilometer [19] .

Historik

Idén att använda en given volym vatten för att bestämma massaenheten föreslogs av den engelske filosofen John Wilkins i sin essä från 1668 som ett sätt att relatera massa och längd [20] [21] .

Den 7 april 1795 antogs grammet i Frankrike som "den absoluta vikten av en volym rent vatten lika med en kub [med en sida] av en hundradels meter och vid temperaturen av smältande is" [22] [23] . Samtidigt anförtroddes arbetet med den nödvändiga noggrannheten för att bestämma massan av en kubikdecimeter (liter) vatten [K 2] [22] .

Eftersom handel och handel vanligtvis sysslar med föremål vars massa är mycket större än ett gram, och eftersom en standard av massa gjord av vatten skulle vara obekväm att hantera och konservera, föreskrevs det att hitta ett sätt att omsätta en sådan definition i praktiken. I detta avseende gjordes en tillfällig massstandard i form av ett metallföremål tusen gånger tyngre än ett gram - 1 kg.

Den franske kemisten Louis Lefèvre -Gineau och den italienske naturforskaren Giovanni Fabbroni bestämde sig efter flera års forskning för att omdefiniera vattnets mest stabila punkt: den temperatur vid vilken vattnet har den största densiteten, som bestämdes i 4 °C [K 3 ] [24] . De beslutade att 1 dm³ vatten vid sin maximala densitet motsvarar 99,9265 % av massan av den tillfälliga kilogramstandarden som tillverkades för fyra år sedan [K 4] . Intressant nog är massan av 1 m³ destillerat vatten vid 4 °C och atmosfärstryck, taget som exakt 1000 kilogram i den historiska definitionen av 1799, enligt den moderna definitionen, också ungefär 1000,0 kilogram [25] .

Den provisoriska standarden var gjord av mässing och skulle gradvis utveckla en patina , vilket var oönskat eftersom dess massa inte skulle ändras. År 1799, under ledning av Lefevre-Genault och Fabbroni, gjordes en permanent standard av kilogram av porös platina , som är kemiskt inert. Från det ögonblicket blev standardens massa huvuddefinitionen av kilogram. Nu är denna standard känd som kilogram des Archives (från franska - "arkivkilogram") [25] .

Under 1800-talet utvecklades massmätningsteknikerna avsevärt. I detta avseende, och i väntan på skapandet av den internationella byrån för vikter och mått 1875 , planerade en särskild internationell kommission en övergång till en ny kilogramstandard. Denna standard, som kallas "den internationella prototypen av kilogram", var gjord av en platina-iridiumlegering (starkare än ren platina) i form av en cylinder 39 mm hög och i diameter [26] , och sedan dess har den behållits av International Bureau of Weights and Measures. År 1889 antogs den internationella definitionen av kilogram som massan av den internationella prototypen av kilogram [25] ; denna definition gällde fram till 2019.

Kopior av den internationella prototypen av kilogram gjordes också: sex (för närvarande) officiella kopior; flera arbetsstandarder som används, i synnerhet, för att spåra förändringen i massor av prototypen och officiella kopior; och nationella standarder kalibrerade mot arbetsstandarder [25] . Två kopior av den internationella standarden överfördes till Ryssland [26] , de lagras i All- Russian Research Institute of Metrology. Mendelejev .

Under tiden som gått sedan den internationella standarden togs fram har den flera gånger jämförts med officiella kopior. Mätningar visade en ökning av massan av kopior i förhållande till standarden med i genomsnitt 50 µg per 100 år [27] [28] . Även om den absoluta förändringen av den internationella standardens massa inte kan bestämmas med hjälp av befintliga mätmetoder, måste den verkligen ske [27] . För att uppskatta storleken på den absoluta förändringen av massan av den internationella prototypen av kilogram, var det nödvändigt att bygga modeller som tar hänsyn till resultaten av jämförelser av massan av själva prototypen, dess officiella kopior och arbetsstandarder (vid samtidigt, även om standarderna som deltog i jämförelsen vanligtvis var förtvättade och rengjorda, men inte alltid), vilket ytterligare komplicerade bristen på en fullständig förståelse av orsakerna till massförändringar. Detta ledde till en förståelse för behovet av att gå bort från definitionen av kilogram baserat på materiella föremål [25] .

År 2011 antog den XXIV:s allmänna konferensen om vikter och mått en resolution som föreslog i en framtida revidering av det internationella enhetssystemet (SI) att fortsätta att omdefiniera basenheterna så att de inte är baserade på konstgjorda artefakter, utan på grundläggande fysiska konstanter eller egenskaper hos atomer [29] . I synnerhet föreslogs att "kilogrammet kommer att förbli en massenhet, men dess värde kommer att fastställas genom att fixera det numeriska värdet av Plancks konstant exakt lika med 6,626 06X⋅10 −34 när det uttrycks i SI-enheten m 2 kg s −1 , vilket är lika med J With". Resolutionen noterar att omedelbart efter den påstådda omdefinieringen av kilogram kommer massan av dess internationella prototyp att vara lika med 1 kg , men detta värde kommer att få ett fel och kommer därefter att bestämmas experimentellt. Denna definition av kilogram blev möjlig på grund av fysikens framsteg under 1900-talet.

Under 2014 gjordes en extraordinär jämförelse mellan massorna av den internationella prototypen av kilogram, dess officiella kopior och arbetsstandarder; resultaten av denna jämförelse är baserade på de rekommenderade värdena för CODATA fundamentala konstanter för 2014 och 2017, på vilka den nya definitionen av kilogram är baserad.

En alternativ definition av kilogram baserad på arbetet med The Avogadro Project övervägdes också . Projektgruppen, efter att ha skapat en kula av en kristall av monoisotopisk kisel 28 Si som väger 1 kg och beräknat antalet atomer i den, föreslår att ett kilogram ska beskrivas som ett visst antal atomer i en given kiselisotop [30] . Internationella byrån för vikter och mått använde dock inte denna version av definitionen av kilogram [29] [31] .

Den XXVI allmänna konferensen om vikter och mått i november 2018 godkände [2] en ny definition av kilogram, baserad på fastställande av det numeriska värdet av Plancks konstant . Beslutet trädde i kraft på World Metrology Day den 20 maj 2019.

I praktiken är vägning på en Kibble-våg ett extremt komplext experiment, och därför rekommenderade generalkonferensen om vikter och mått 2011 skapandet av en uppsättning sekundära standarder i form av välbekanta vikter, inklusive både befintliga platina-iridium-standarder och nya kiselkulor som kommer att användas vidare för att distribuera standarden runt om i världen [9] .

Multipler och submultiplar

Av historiska skäl innehåller namnet "kilogram" redan decimalprefixet "kilo", så multiplar och submultiplar bildas genom att lägga till standard SI-prefix till namnet eller beteckningen på enheten "gram" (som i SI-systemet i sig är en submultipel: 1 g = 10 −3 kg).

Istället för ett megagram (1000 kg) används som regel måttenheten " ton ".

I definitioner av kraften hos atombomber i TNT-ekvivalent används kiloton istället för gigagram och megaton istället för teragram.

Multipel				Dolnye
magnitud	titel	beteckning		magnitud	titel	beteckning
10 1 g	dekagram	doug	dag	10 −1 g	dg	dg	dg
10 2 g	hekto	gg	hg	10-2 g _	centigram	sg	cg
10 3 g	kilogram	kg	kg	10-3 g _	milligram	mg	mg
106 g _	megagram	Mg	mg	10-6 g _	mikrogram	mcg	µg
10 9 g	gigagram	Gg	gg	10-9 g _	nanogram	ng	ng
10 12 g	teragram	Tg	Tg	10-12 g _	pikogram	sid	sid
10 15 g	petagram	sid	sid	10-15 g _	femtogram	fg	fg
10 18 g	exagram	T.ex	T.ex	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 _	ioktogram	ig	yg
rekommenderas för användning ansökan rekommenderas inte inte används eller används sällan i praktiken

Kopierar

Nr 12, 26 - USSR [32] (Ryssland)

Nr 20 - USA [32]

Se även

Anteckningar

Kommentarer

↑ Stavningen kilogram är den moderna formen som används av International Bureau of Weights and Measures, National Institute of Standards and Technology (NIST), Storbritanniens National Measurement Office , National Research Council of Canada och National Measurement Institute . Measurement Institute , Australien.
↑ Samma direktiv definierade litern som "en volymenhet för både vätskor och fasta ämnen, som är lika med volymen av en kub [med en sida] av en tiondels meter". Originaltext: " 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. »
↑ Moderna mätningar visar att temperaturen där vattnet har den högsta densiteten är 3,984 °C. Men forskare från slutet av 1700-talet använde ett värde på 4 °C.
↑ En interimsstandard för kilogram gjordes i enlighet med den enda felaktiga mätningen av vattentätheten som gjordes tidigare av Antoine Lavoisier och René Just Gahuy , som visade att en kubikdecimeter destillerat vatten vid 0 ° C har en massa på 18 841 korn enligt det franska måttsystemet ( eng. Måttenheter i Frankrike ), som snart skulle försvinna. En nyare och mer exakt mätning av Lefèvre-Ginot och Fabbroni visade att massan av en kubikdecimeter vatten vid 4 °C är 18 827,15 korn.

Källor

↑ Dengub V. M. , Smirnov V. G. Kvantitetsenheter. Ordbokshänvisning. - M . : Publishing house of standards, 1990. - S. 61. - 240 sid. — ISBN 5-7050-0118-5 .
↑ 12 cgpm26nist . _
↑ Utkast till resolution A "Om revisionen av det internationella enhetssystemet (SI)" som ska lämnas till CGPM vid dess 26:e möte (2018) , < https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM /Draft-Resolution-A-EN.pdf > Arkiverad 29 april 2018 på Wayback Machine
↑ Beslut CIPM/105-13 (oktober 2016) Arkiverad 24 augusti 2017 på Wayback Machine . Dagen är det 144-årsjubileum av Meterkonventionen .
↑ Massenhet (kilogram ) . SI-broschyr: The International System of Units (SI) [8:e upplagan, 2006; uppdaterad 2014] . BIPM . Hämtad 11 november 2015. Arkiverad från originalet 2 januari 2021.
↑ Föreskrifter om kvantitetsenheter tillåtna för användning i Ryska federationen (otillgänglig länk) . Federal Information Foundation för att säkerställa enhetlighet i mätningar . Rosstandart . Hämtad 28 februari 2018. Arkiverad från originalet 18 september 2017. (obestämd)
↑ Verifikationer . _ Resolution 1 av den 25:e CGPM (2014) . BIPM . Hämtad 8 oktober 2015. Arkiverad från originalet 8 september 2015.
↑ Kilogram: Massa och Plancks konstant . NIST . Hämtad 18 november 2018. Arkiverad från originalet 19 november 2018.
↑ 1 2 3 Goebel, Siegner, 2015 , sid. 165-167.
↑ Robinson IA, Schlamminger S. Watt- eller kibblebalansen: en teknik för att implementera den nya SI-definitionen av massenheten // Metrologia . - 2016. - Vol. 53 . - P.A46-A74 . - doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
↑ Michael Stock. Wattbalansen: bestämning av Planck-konstanten och omdefiniering av kilogram Arkiverad 1 september 2012 på Wayback Machine // Royal Society Discussion Meeting: The new SI, januari 2011. s 10 .
↑ Alexey Poniatov. Det sista kilot gav upp // Vetenskapen och livet . - 2019. - Nr 3 . - S. 3-7 . (ryska)
↑ Fowler, H.W.; Fowler, FG The Concise Oxford Dictionary . — Oxford: Oxford University Press , 1964.
↑ Decret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 april 1795) (franska) . Grandes lois de la Republique . Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Hämtad 3 november 2011. Arkiverad från originalet 10 maj 2013.
↑ Kilogram (inte tillgänglig länk) . Oxford English Dictionary . Oxford University Press. Hämtad 3 november 2011. Arkiverad från originalet 10 maj 2013. (obestämd)
↑ Kilogram . Oxford Dictionaries . Hämtad 3 november 2011. Arkiverad från originalet 10 maj 2013. (obestämd)
↑ Stavning av " gram " etc. Weights and Measures Act 1985 . Hennes Majestäts brevpapperskontor (30 oktober 1985). Hämtad 6 november 2011. Arkiverad från originalet 10 maj 2013. (obestämd)
↑ kilo (n1) , Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394 > . Hämtad 8 november 2011. .
↑ kilo (n2) , Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395 > . Hämtad 8 november 2011. . Arkiverad 21 juli 2015 på Wayback Machine
↑ En uppsats mot en verklig karaktär och ett filosofiskt språk (reproduktion) (PDF). Hämtad 3 april 2011. Arkiverad från originalet 10 maj 2013. (obestämd)
↑ En uppsats mot en verklig karaktär och ett filosofiskt språk (transkription) (PDF). Hämtad 3 april 2011. Arkiverad från originalet 10 maj 2013. (obestämd)
↑ 1 2 Dekret om vikter och mått (franska) (7 april 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." Arkiverad från originalet den 10 maj 2013.
↑ Gattel CM Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise . - 1797. - Vol. 2. - S. 695.
↑ L'histoire du mètre, la determination de l'unité de poids . Arkiverad från originalet den 10 maj 2013. (obestämd)
↑ 1 2 3 4 5 Davis, Barat, Stock, 2016 .
↑ 1 2 Kilogram / K. P. Shirokov // Kvarner - Kongur. - M . : Soviet Encyclopedia, 1973. - ( Great Soviet Encyclopedia : [i 30 volymer] / chefredaktör A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 12).
↑ 1 2 Varför ändra SI? Arkiverad 27 januari 2013 på Wayback Machine på International Bureau of Weights and Measures webbplats
↑ Mot en omdefiniering av kilogram . BIPM wattbalansen . BIPM . Hämtad 10 oktober 2015. Arkiverad från originalet 8 september 2015.
↑ 1 2 Om den framtida revideringen av det internationella enhetssystemet, SI . Resolution 1 av den 24:e CGPM (2011) . BIPM. Hämtad 11 november 2015. Arkiverad från originalet 4 mars 2012.
↑ Avogadroprojektet (nedlänk) . Hämtad 8 oktober 2015. Arkiverad från originalet 7 april 2014. (obestämd)
↑ Om den framtida revideringen av det internationella enhetssystemet, SI . Resolution 1 av den 25:e CGPM (2014) . BIPM. Hämtad 11 november 2015. Arkiverad från originalet 14 maj 2017.
↑ 1 2 Elliott, 1975 , sid. 31.

Litteratur

Ernst O. Goebel, Uwe Siegner. Quantum Metrology: Foundation of Units and Measurements . — John Wiley & Sons, 2015.
Smirnova N. A. Måttenheter för massa och vikt i det internationella enhetssystemet. - M. , 1966.
Elliott, L., Wilcox, W. Fysik / per. från engelska. ed. A. I. Kitaygorodsky . - 3:a, korrigerad. - Moskva: Nauka, 1975. - 736 sid. - 200 000 exemplar. (ryska)
Historisk röst binder kilogram och andra enheter till naturliga konstanter . NIST . Hämtad 17 november 2018. Arkiverad från originalet 29 maj 2019.

Länkar

Kilogram: Mass och Plancks konstant . NIST . Hämtad 18 november 2018. Arkiverad från originalet 19 november 2018.
Ny mätning kommer att hjälpa till att omdefiniera internationell massenhet . Nyheter . NIST (30 juni 2017). Hämtad 6 juli 2017. Arkiverad från originalet 18 juli 2017.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor katalanska stor kines Stor norsk Stor ryss italienska Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4163779-3 J9U : 987007556931505171 LCCN : sh2007003156

SI-enheter
Grundenheter	ampere candela kelvin kilogram meter mol andra
Härledda enheter med speciella namn	becquerel watt weber volt Henry hertz grader Celsius grå joule sievert rullad hängsmycke lyx lumen newton ohm pascal radian Siemens steradian tesla farad
Godkänd för användning med SI	ångström astronomisk enhet hektar grad av båge bågminut andra av bågen dalton (atommassaenhet) vit liter neper dag timme minut ton elektron-volt
se även	SI-prefix Enhetskonvertering Det metriska systemets historia Metrisk konvention 1875 Definitioner 2005–2019 Omdefiniering 2019