Kilogram

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 10 aprilie 2022; verificările necesită 6 modificări .
Kilogram
kg

O imagine generată de computer a prototipului internațional al kilogramului, cu o riglă de centimetri lângă el. Are dimensiuni comparabile cu o minge de golf, marginile sunt teșite pentru a minimiza uzura materialului.
Valoare Greutate
Sistem SI
Tip de principal
Vezi prefixele SI
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Kilogramul (desemnarea rusă: kg ; internațional: kg ) este o unitate de masă , una dintre cele șapte unități de bază ale Sistemului internațional de unități (SI) . În plus, este o unitate de masă și este una dintre unitățile de bază din sistemele ISS , MKSA , MKSK ( MKSG ), MKSL [1] . Kilogramul este singura dintre unitățile de bază SI care este folosită cu prefixul ("kilo", simbolul "k").

A XXVI-a Conferință Generală de Greutăți și Măsuri (13–16 noiembrie 2018) a aprobat [2] definirea kilogramului pe baza fixării valorii numerice a constantei lui Planck . Decizia a intrat în vigoare la 20 mai 2019.

Kilogramul, simbolul kg, este unitatea de masă SI; valoarea sa este stabilită fixând valoarea numerică a constantei lui Planck h egală cu exact 6,62607015⋅10 -34 când este exprimată în unitatea SI J⋅s, care este echivalentă cu kg⋅m 2 ⋅s −1 , unde metrul și secunda sunt definite de c și Δ ν Cs . [3] [4]

Definiția kilogramului, care a fost valabilă până în mai 2019, a fost adoptată de Conferința Generală a III-a a Greutăților și Măsurilor (CGPM) în 1901 și a fost formulată după cum urmează [5] [6] :

Kilogramul este o unitate de masă egală cu masa prototipului internațional al kilogramului.

Până pe 20 mai 2019, kilogramul a rămas ultima unitate SI definită dintr-un obiect creat de om. După adoptarea noii definiții, din punct de vedere practic, valoarea kilogramului nu s-a schimbat, dar „prototipul” (standard) existent nu mai definește kilogramul, ci este o greutate foarte precisă cu o eroare potențial măsurabilă. .

Prototipul kilogramului

Prototipul internațional ( standard ) al kilogramului este depozitat la Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri (situat în Sevres , lângă Paris ) și este un cilindru cu diametrul și înălțimea de 39,17 mm realizat dintr-un aliaj platină-iridiu (90% platină, 10% iridiu).

Standardul internațional modern al kilogramului a fost emis de Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri (CGPM) în 1889 pe baza Convenției Metrice (1875) și depus la Biroul Internațional de Poids și Măsuri (BIPM), acționând în numele CGPM. Standardul internațional al kilogramului este aproape niciodată mutat sau folosit. Copii ale acestuia sunt păstrate în instituțiile metrologice naționale din întreaga lume. În 1889, 1948, 1989 și 2014, copiile au fost verificate cu un etalon pentru a asigura uniformitatea măsurătorilor de masă față de etalon [7] . Deoarece au fost descoperite modificări ale maselor de copii ale standardului, Comitetul Internațional pentru Greutăți și Măsuri (CIPM) a recomandat ca kilogramul să fie redefinit folosind proprietăți fizice fundamentale .

Kilogramul și constanta lui Planck

Relația dintre masă și constanta lui Planck din punct de vedere teoretic este determinată de două formule [8] . Echivalența masei și energiei leagă energia și masa :

unde  este viteza luminii în vid. Constantele lui Planck leagă conceptele cuantice și tradiționale de energie:

unde  este frecventa .

Aceste două formule, găsite la începutul secolului al XX-lea, stabilesc posibilitatea teoretică de măsurare a masei prin energia fotonilor individuali , dar experimentele practice care fac posibilă relația dintre masa și constanta lui Planck au apărut abia la sfârșitul secolului al XX-lea. .

Balanța Kibble a fost folosită de la mijlocul anilor 1970 pentru a măsura valoarea constantei lui Planck. Angajații Institutului Național de Standarde din SUA P. More ( ing.  Peter Mohr ) și B. Taylor ( ing.  Barry Taylor ) au propus în 1999, dimpotrivă, fixarea valorii constantei lui Planck și determinarea masei folosind aceste greutăți. Numit postum după inventatorul, B. Kibble, balanța Kibble este o îmbunătățire a balanței curente , sunt un instrument electromecanic în care masa este calculată prin putere electrică :

unde  este produsul dintre curentul electric în timpul echilibrării masei și tensiunea din timpul calibrării,  este produsul dintre accelerația gravitațională și viteza bobinei în timpul calibrării echilibrului. Dacă este măsurat independent cu o precizie ridicată (aspectele practice ale experimentului necesită și o măsurare a frecvenței de înaltă precizie [9] ), ecuația anterioară definește în esență kilogramul în funcție de mărimea watului (sau invers). Indicele y și sunt introduși pentru a arăta că aceasta este putere virtuală (măsurătorile de tensiune și curent sunt luate la momente diferite), evitând efectele pierderilor (care ar putea fi cauzate, de exemplu, de curenții Foucault induși ) [10] .

Relația dintre watt și constanta lui Planck folosește efectul Josephson și efectul Hall cuantic [9] [11] :

întrucât , unde  este rezistenţa electrică , ; efect Josephson: ; efect Hall cuantic: ,

unde și  sunt numere întregi (primul este legat de pasul Shapiro , al doilea este factorul de umplere al platoului cuantic al efectului Hall),  este frecvența de la efectul Josephson,  este sarcina electronului . După înlocuirea expresiilor pentru și în formula pentru putere și combinând toți coeficienții întregi într-o singură constantă , masa este legată liniar de constanta lui Planck:

.

Deoarece toate celelalte mărimi din această ecuație pot fi determinate independent de masă, ar putea fi luată ca definiție a unității de masă după fixarea valorii 6,62607015×10 −34 J s pentru constanta lui Planck. [12]

Etimologie și utilizare

Cuvântul „kilogram” provine din cuvântul francez „ kgme ”, care la rândul său a fost format din cuvintele grecești „ χίλιοι ” ( chilioi ), care înseamnă „mii”, și „ γράμμα ” ( gram ), care înseamnă „greutate mică” [13] . Cuvântul « kilogram » a fost fixat în franceză în 1795 [14] . Ortografia franceză a cuvântului a trecut în Marea Britanie, unde a fost folosit pentru prima dată în 1797 [15] , în timp ce în SUA cuvântul a fost folosit sub forma „ kilogram ”, devenind ulterior popular în Marea Britanie [16] [C 1 ] iar ponderile ( Eng.  Weights and Measures Act ) în Marea Britanie nu interzice utilizarea ambelor ortografii [17] .

În secolul al XIX-lea, abrevierea franceză „ kilo ” a fost adoptată în engleză, unde era folosită pentru a se referi atât la kilograme [18] , cât și la kilometri [19] .

Istorie

Ideea de a folosi un anumit volum de apă pentru a determina unitatea de masă a fost propusă de filozoful englez John Wilkins în eseul său din 1668 ca o modalitate de a lega masa și lungimea [20] [21] .

La 7 aprilie 1795, gramul a fost adoptat în Franța ca „greutatea absolută a unui volum de apă pură egală cu un cub [cu o latură] de o sutime de metru și la temperatura gheții care se topește” [22] [23] . În același timp, lucrările au fost încredințate cu precizia necesară pentru a determina masa unui decimetru cub (litru) de apă [K 2] [22] .

Deoarece comerțul și comerțul se ocupă de obicei cu obiecte a căror masă este mult mai mare de un gram și deoarece un standard de masă realizat din apă ar fi incomod de manipulat și conservat, a fost prescris să se găsească o modalitate de a pune în practică o astfel de definiție. În acest sens, a fost realizat un standard de masă temporar sub forma unui obiect metalic de o mie de ori mai greu decât un gram - 1 kg.

Chimistul francez Louis Lefèvre - Gineau și  naturalistul italian Giovanni Fabbroni , după câțiva ani de cercetări, au decis să redefinească punctul cel mai stabil al apei: temperatura la care apa are cea mai mare densitate, care a fost determinată în 4 °C [K 3 ] [24] . Ei au decis că 1 dm³ de apă la densitatea sa maximă este echivalent cu 99,9265% din masa standardului de kilogram temporar realizat acum patru ani [K 4] . Interesant este că masa a 1 m³ de apă distilată la 4 °C și presiunea atmosferică, luată ca exact 1000 de kilograme în definiția istorică din 1799, conform definiției moderne, este de asemenea de aproximativ 1000,0 kilograme [25] .  

Standardul provizoriu era făcut din alamă și avea să dezvolte treptat o patina , ceea ce nu era de dorit, deoarece masa sa nu trebuia schimbată. În 1799, sub conducerea lui Lefevre-Genault și Fabbroni, a fost realizat un standard permanent al kilogramului din platină poroasă , care este inertă din punct de vedere chimic. Din acel moment, masa etalonului a devenit principala definiție a kilogramului. Acum acest standard este cunoscut sub numele de kilogram des Archives (din  franceză  -  „kilogram de arhivă”) [25] .

În secolul al XIX-lea, tehnologiile de măsurare a masei au avansat semnificativ. În acest sens, și în așteptarea creării Biroului Internațional de Greutăți și Măsuri în 1875 , o comisie internațională specială a planificat o tranziție la un nou standard de kilograme. Acest standard, numit „prototipul internațional al kilogramului”, a fost realizat dintr-un aliaj platină-iridiu (mai rezistent decât platina pură) sub forma unui cilindru de 39 mm înălțime și diametru [26] , iar de atunci a fost păstrat. de către Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri. În 1889, definiția internațională a kilogramului a fost adoptată ca masă a prototipului internațional al kilogramului [25] ; această definiție a fost valabilă până în 2019.

Au fost realizate și copii ale prototipului internațional al kilogramului: șase (în prezent) exemplare oficiale; mai multe standarde de lucru utilizate, în special, pentru a urmări schimbarea în mase a prototipului și a copiilor oficiale; și standarde naționale calibrate în funcție de standardele de lucru [25] . Două copii ale standardului internațional au fost transferate în Rusia [26] , acestea sunt stocate în Institutul de Cercetare de Metrologie All-Rus. Mendeleev .

În timpul care a trecut de la producerea standardului internațional, acesta a fost comparat de mai multe ori cu copiile oficiale. Măsurătorile au arătat o creștere a masei de copii în raport cu standardul cu o medie de 50 µg la 100 de ani [27] [28] . Deși modificarea absolută a masei standardului internațional nu poate fi determinată folosind metodele de măsurare existente, cu siguranță trebuie să aibă loc [27] . Pentru a estima amploarea schimbării absolute a masei prototipului internațional al kilogramului, a fost necesar să se construiască modele care să ia în considerare rezultatele comparațiilor dintre masele prototipului în sine, copiile sale oficiale și standardele de lucru (la în același timp, deși standardele care au participat la comparație au fost de obicei pre-spălate și curățate, dar nu întotdeauna), ceea ce a complicat și mai mult lipsa unei înțelegeri complete a cauzelor schimbărilor în masă. Acest lucru a condus la înțelegerea necesității de a se îndepărta de definiția kilogramului pe baza obiectelor materiale [25] .

În 2011, a XXIV-a Conferință Generală pentru Greutăți și Măsuri a adoptat o Rezoluție prin care propune într-o viitoare revizuire a Sistemului Internațional de Unități (SI) să continue redefinirea unităților de bază, astfel încât acestea să nu se bazeze pe artefacte artificiale, ci pe baza fizică fundamentală. constante sau proprietăţi ale atomilor. [29] . În special, s-a propus că „kilogramul va rămâne o unitate de masă, dar valoarea lui va fi stabilită prin fixarea valorii numerice a constantei lui Planck exact egală cu 6,626 06X⋅10 −34 atunci când este exprimată în unitatea SI m 2 kg s −1 , care este egal cu J Cu". Rezoluția notează că imediat după presupusa redefinire a kilogramului, masa prototipului său internațional va fi egală cu 1 kg , dar această valoare va dobândi o eroare și va fi ulterior determinată experimental. Această definiție a kilogramului a devenit posibilă datorită progresului fizicii din secolul al XX-lea.

În 2014, s-a făcut o comparație extraordinară între masele prototipului internațional al kilogramului, copiile sale oficiale și standardele de lucru; rezultatele acestei comparații se bazează pe valorile recomandate ale constantelor fundamentale CODATA din 2014 și 2017, pe care se bazează noua definiție a kilogramului.

De asemenea, a fost luată în considerare o definiție alternativă a kilogramului bazată pe lucrările Proiectului Avogadro .  Echipa de proiect, după ce a creat o minge dintr-un cristal de siliciu monoizotopic 28 Si care cântărește 1 kg și calculând numărul de atomi din acesta, își propune să descrie un kilogram ca un anumit număr de atomi ai unui izotop de siliciu dat [30] . Cu toate acestea, Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri nu a folosit această versiune a definiției kilogramului [29] [31] .

A XXVI-a Conferință Generală de Greutăți și Măsuri din noiembrie 2018 a aprobat [2] o nouă definiție a kilogramului, bazată pe fixarea valorii numerice a constantei lui Planck . Decizia a intrat în vigoare de Ziua Mondială a Metrologiei, pe 20 mai 2019.

În practică, cântărirea pe o balanță Kibble este un experiment extrem de complex și, prin urmare, Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri din 2011 a recomandat crearea unui set de standarde secundare sub formă de greutăți familiare, care să includă atât standarde de platină-iridiu existente, cât și noi. bile de siliciu care vor fi folosite în continuare pentru distribuirea standardului în întreaga lume [9] .

Multiplii și submultiplii

Din motive istorice, numele „kilogram” conține deja prefixul zecimal „kilo”, astfel încât multiplii și submultiplii sunt formați prin adăugarea prefixelor standard SI la numele sau denumirea unității „gram” (care în sistemul SI este el însuși un submultiplu: 1 g = 10 −3 kg).

În loc de un megagram (1000 kg), de regulă, se folosește unitatea de măsură „ tonă ”.

În definițiile puterii bombelor atomice în echivalent TNT , kilotonul este folosit în loc de gigagramă, iar megatonul este folosit în locul teragramei.

Multiplii Dolnye
magnitudinea titlu desemnare magnitudinea titlu desemnare
10 1 g decagram Doug dag 10 -1 g dg dg dg
102 g _ hectogram gg hg 10 -2 g centigram sg cg
10 3 g kilogram kg kg 10 -3 g miligram mg mg
106 g _ megagramă Mg mg 10 -6 g microgram mcg µg
109 g _ gigagramă Gg gg 10 -9 g nanogramă ng ng
10 12 g teragrama Tg Tg 10 -12 g picograme pg pg
10 15 g petagramă pg pg 10 -15 g femtogramă fg fg
10 18 g exagramă De exemplu De exemplu 10 -18 g attogramă ag ag
10 21 g zettagramă Zg Zg 10 -21 g zeptograma zg zg
10 24 g yottagramm IG Yg 10 -24 g ioctogramă IG yg
     recomandat pentru utilizare      aplicarea nu este recomandată      nefolosit sau rar folosit în practică

Copii

Nr. 12, 26 - URSS [32] (Rusia)

Nr. 20 - SUA [32]

Vezi și

Note

Comentarii
  1. Ortografia kilogramului este forma modernă folosită de Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri, Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST), Biroul Național de Măsurare al Regatului Unit , Consiliul Național de  Cercetare din Canada și Institutul Național de Măsurare . Institutul de măsurători , Australia. 
  2. Aceeași directivă a definit litru ca „o unitate de volum atât pentru lichide, cât și pentru solide, care este egală cu volumul unui cub [cu o latură] de o zecime de metru”. Text original: „ 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. Măsurătorile moderne arată că temperatura la care apa are cea mai mare densitate este de 3,984 °C. Cu toate acestea, oamenii de știință de la sfârșitul secolului al XVIII-lea au folosit o valoare de 4 °C.
  4. ↑ Un standard interimar al kilogramului a fost realizat în conformitate cu singura măsurătoare inexactă a densității apei făcută anterior de Antoine Lavoisier și René Just Gahuy , care a arătat că un decimetru cub de apă distilată la 0°C are o masă de 18.841 de boabe. conform sistemului francez de măsuri ( ing.  Unități de măsură în Franța ), care urma să dispară în curând. O măsurătoare mai nouă și mai precisă a lui Lefèvre-Ginot și Fabbroni a arătat că masa unui decimetru cub de apă la 4 °C este de 18.827,15 boabe.
Surse
  1. Dengub V. M. , Smirnov V. G. Unități de mărime. Dicţionar de referinţă. - M . : Editura de standarde, 1990. - S. 61. - 240 p. — ISBN 5-7050-0118-5 .
  2. 12 cgpm26nist . _
  3. Proiectul de rezoluție A „Cu privire la revizuirea Sistemului internațional de unități (SI)” care urmează să fie înaintat CGPM la cea de-a 26-a reuniune (2018) , < https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM /Draft-Resolution-A-EN.pdf > Arhivat 29 aprilie 2018 la Wayback Machine 
  4. Decizia CIPM/105-13 (octombrie 2016) Arhivată la 24 august 2017 la Wayback Machine . Ziua este cea de-a 144-a aniversare a Convenției Meterului .
  5. Unitate de masă (kilogram  ) . Broșura SI: Sistemul internațional de unități (SI) [ediția a VIII-a, 2006; actualizat în 2014] . BIPM . Consultat la 11 noiembrie 2015. Arhivat din original la 2 ianuarie 2021.
  6. Reglementări privind unitățile de cantități permise pentru utilizare în Federația Rusă (link inaccesibil) . Fundația federală de informații pentru asigurarea uniformității măsurătorilor . Rosstandart . Preluat la 28 februarie 2018. Arhivat din original la 18 septembrie 2017. 
  7. Verificări  _ _ Rezoluția 1 a celei de-a 25-a CGPM (2014) . BIPM . Preluat la 8 octombrie 2015. Arhivat din original la 8 septembrie 2015.
  8. Kilogram: Masa și  constanta lui Planck . NIST . Consultat la 18 noiembrie 2018. Arhivat din original la 19 noiembrie 2018.
  9. 1 2 3 Goebel, Siegner, 2015 , p. 165-167.
  10. Robinson IA, Schlamminger S. Balanța în watt sau Kibble: o tehnică de implementare a noii definiții SI a unității de masă   // Metrologia . - 2016. - Vol. 53 . - P.A46-A74 . - doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
  11. Michael Stock. Balanța de wați: determinarea constantei Planck și redefinirea kilogramului Arhivat la 1 septembrie 2012 la Wayback Machine // Reuniunea de discuții a Societății Regale: Noul SI, ianuarie 2011.  p . 10.
  12. Alexei Poniatov. Ultimul kilogram a renuntat  // Stiinta si viata . - 2019. - Nr. 3 . - P. 3-7 .
  13. Fowler, H.W.; Fowler, FG Dicționarul Oxford concis  . — Oxford: Oxford University Press , 1964.
  14. Decret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 avril 1795)  (franceză) . Grandes lois de la Republique . Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Universitatea din Perpignan. Consultat la 3 noiembrie 2011. Arhivat din original la 10 mai 2013.
  15. Kilogram (link indisponibil) . Dicţionar englez Oxford . Presa Universitatii Oxford. Consultat la 3 noiembrie 2011. Arhivat din original la 10 mai 2013. 
  16. Kilogram . Dicționare Oxford . Consultat la 3 noiembrie 2011. Arhivat din original la 10 mai 2013.
  17. Ortografie pentru „gram”, etc. Actul Greutăților și Măsurilor din 1985 . Biroul Papetarie al Majestăţii Sale (30 octombrie 1985). Consultat la 6 noiembrie 2011. Arhivat din original la 10 mai 2013.
  18. kilo (n1) , Oxford English Dictionary (ed. a doua), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394 > . Recuperat la 8 noiembrie 2011. . 
  19. kilo (n2) , Oxford English Dictionary (ed. a doua), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395 > . Recuperat la 8 noiembrie 2011. . Arhivat pe 21 iulie 2015 la Wayback Machine 
  20. Un eseu către un personaj real și un limbaj filosofic (reproducere) (PDF). Consultat la 3 aprilie 2011. Arhivat din original pe 10 mai 2013.
  21. Un eseu către un personaj real și un limbaj filozofic (transcriere) (PDF). Consultat la 3 aprilie 2011. Arhivat din original pe 10 mai 2013.
  22. 1 2 Decret cu privire la greutăți și măsuri  (franceză) (7 aprilie 1795). " Gramme , le poids absolut d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre, et à la température de la glace fondante." Arhivat din original pe 10 mai 2013.
  23. Gattel CM Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise . - 1797. - Vol. 2. - P. 695.
  24. L'histoire du mètre, la determination de l'unité de poids . Arhivat din original pe 10 mai 2013.
  25. 1 2 3 4 5 Davis, Barat, Stock, 2016 .
  26. 1 2 Kilogram / K. P. Shirokov // Kvarner - Kongur. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1973. - ( Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / redactor-șef A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 12).
  27. 1 2 De ce schimba SI? Arhivat la 27 ianuarie 2013 pe Wayback Machine de   pe site-ul Biroului Internațional de Greutăți și Măsuri
  28. Spre o redefinire a  kilogramului . Bilanțul de wați BIPM . BIPM . Consultat la 10 octombrie 2015. Arhivat din original pe 8 septembrie 2015.
  29. 1 2 Despre viitoarea revizuire a Sistemului Internațional de Unități,  SI . Rezoluția 1 a celei de-a 24-a CGPM (2011) . BIPM. Consultat la 11 noiembrie 2015. Arhivat din original pe 4 martie 2012.
  30. Proiectul Avogadro (link în jos) . Consultat la 8 octombrie 2015. Arhivat din original la 7 aprilie 2014. 
  31. Despre viitoarea revizuire a Sistemului Internațional de Unități,  SI . Rezoluția 1 a celei de-a 25-a CGPM (2014) . BIPM. Consultat la 11 noiembrie 2015. Arhivat din original la 14 mai 2017.
  32. 1 2 Elliott, 1975 , p. 31.

Literatură

Link -uri