Килограмм

Эталон килограмма, хранящийся в Париже
Килограмм – единица массы в Международной системе единиц (СИ) и некоторых других метрических системах. По определению один килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Килограмм входит в семи основных единиц СИ, через которые определяется много других единиц. Это единственная одниця СИ с префиксом. Единица без префикса – грамм – равен одной тысячной килограмма.
Килограмм является единицей массы, а не веса, хотя в посякденному потребления понятие массы и веса часто путают. Единицей силы, а вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес, в системе СИ является ньютон. Раньше, до 1960, использовалась единица килограмм-сила. Ее можно встретить в старой физической литературе, и в некоторых технических областях, однако в физике использования этой единицы не рекомендуется как устаревшей.
Поскольку масса прототипа килограмма меняется со временем, а точное определение основной единицы СИ важно для точных измерений многих физических величин, Международный комитет мер и весов принял в 2005 решение о необходимости переопределения килограмма через фундаментальные физические постоянные. Однако, окончательное решение по этому поводу ожидается не ранее 2015.
Килограмм как единица массы был предложен после Великой французской революции с целью упорядочения системы единиц с применением десятичной системы. 7 апреля 1795 была провозглашена новую единицу грамм, как «абсолютный вес объема воды, равном кубу одной сотой части метра при температуре плавления льда». Килограмм при этом определении был производной единицей, равной тысяче граммов. Ввиду того, что стандарт в виде определенного количества воды был бы ненадежным, возникла проблема его практической реализации. Был изготовлен временный металлический эталон, с весом в 1000 граммов. Вместе была поставлена задача точного измерения массы одного дециметра кубического, т.е. литра, воды.
После нескольких лет исследований французский химик Луи Лефевр-женск и итальянский естествоиспытатель Джованни Фабброни сделали вывод, что точное определение будет не при температуре плавления льда, 0 ° C а при температуре, при которой плотность воды наибольшая – 4 ° C. Определена масса составляла 99.9265% временного эталона. В 1799 был изготовлен платиновый эталон, масса которого соответствовала массе воды при 4 ° C. Этот килограмм получил название килограмма архива и служил эталоном течение следующих 90 лет.
Современным эталоном килограмма является цилиндрическая гиря высотой и диаметром 39 миллиметров, что хранится в Международном бюро мер и весов в Севре (пригород Парижа, Франция). Эта гиря отлитая в 1879 году из сплава платины (90%) и иридия (10%), впервые приготовленного французским химиком Сент-Клер Девиль в 1872 году. Прототип был утвержден первый Генеральной конференцией мер и весов в 1889 году.
В 1875 году 17 стран мира подписана Метрическая конвенция, которая положила начало процесс создания международной системы единиц. Международный прототип килограмма был изготовлен как результат этой договоренности. Благодаря использованию сплава платины и иридия увеличилась жесткость образца. Кроме самого прототипа в Международном бюро мер и весов сохраняется еще шесть его копий. Примерно 80 копий этого эталона также хранятся в других странах.
Когда килограмм был утвержден в качестве единицы еще не было четкого понимания разницы между массой и весом. Масса – характеристика инерционных свойств тел. Вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Значение массы тела одинаково в любой точке Земли, тогда как вес зависит от силы тяжести, то есть разная в разных точках Земли, зависит от географической широты и долготы, высоты над уровнем моря и даже от пород, залегающих под поверхностью в конкретном месте.
С целью устранения путаницы, существовавшей в то время, 1-я Генеральная конференция по мерам и весам (1889) утвердила международный прототип килограмма как прототип единицы массы. В решениях 3-й Генеральной конфереции мер и весов четко разграничены килограмм за единицу силы и килограмм как единицу массы.
Существует также отдельное фундаментальное физическое вопрос о равенстве инерционной и гравитационной масс, но в контексте определения эталона килограмма не существенное.
Изменение массы национальных прототипов килограмма K21-K40 и сестринских копий K32 и K8 (41) со временем относительно международного прототипа. Все измерения представлены как относительные. Измерений массы, которые свидетельствовали бы о том, какой из прототипов найстабильшиший о природных инвариантов нет. Существует возможность, что все прототипы увеличили свою массу за 100 лет, а K21, K35, K40 и международный прототип набрали меньшую массу, чем другие. Точность воспроизведения единицы массы – килограмма – с помощью прототипа килограмма (относительная погрешность не превышает 2.10 -8) в основном удовлетворяет запросы современной науки и техники. Однако перспективы их развития требуют дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц массы. Кроме того, зруйновнисть и невидтворюванисть международного прототипа килограмма оставляет в центре внимания метрологов проблему установления естественной меры для килограмма.
В результате последнего (на 2005 год) сопоставление копий и эталона килограмма было выявлено, что общий эталон (который находится в Париже) потяжелел на 28 микрограммов. Учитывая это, а также для установления более стабильного эталона массы, сейчас предложено несколько вариантов замены эталона килограмма на надежный (например, нанеся количество атомов в кристалле какого-либо химического элемента, или выразив через единицы энергии, расходуемых при переходах между электронными уровнями, или с помощью так называемых "обратных ампер-весов"). Но до сих пор альтернативные определения килограмма не приняты.
Другое направление решения этой проблемы заключается в разработке и создании образцов массы одноизотопного состава. Проведенные исследования показывают реальную возможность воспроизведения единицы массы с точностью, намного превышает любые практические запросы.