Русская Википедия:Килограмм

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Единица измерения Килогра́мм (русское обозначение: кг; международное: kg) — единица массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Кроме того, является единицей массы и относится к числу основных единиц в системах МКС, МКСА, МКСК (МКСГ), МКСЛ[1]. Килограмм — единственная из основных единиц СИ, используемая с приставкой («кило», обозначение «к»).

XXVI Генеральная конференция по мерам и весам (13—16 ноября 2018 года) одобрилаШаблон:Sfn определение килограммаШаблон:Переход, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка. Решение вступило в силу 20 мая 2019 года.

Шаблон:Начало цитаты Килограмм, обозначение кг, является единицей массы в СИ; его величина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка Шаблон:Mvar равной в точности Шаблон:Val, когда она выражена единицей СИ Дж⋅с, которая эквивалентна кг⋅м2⋅с−1, где метр и секунда определены через Шаблон:Mvar и Шаблон:Math.[2][3] Шаблон:Конец цитаты

Действовавшее до мая 2019 года определение килограмма было принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулировалось так[4][5]:

Шаблон:Начало цитаты Килограмм — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Шаблон:Конец цитаты

До 20 мая 2019 года килограмм оставался последней единицей СИ, определённой на основе изготовленного человеком объекта. После принятия нового определения с практической точки зрения величина килограмма не изменилась, но существующий «прототип» (эталон) более не определяет килограмм, а является очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.

Прототип килограмма

Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).

Современный международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1889 году на основе Метрической конвенции (1875) и передан на хранение Международному бюро мер и весов (МБМВ), действующему от имени ГКМВ. Международный эталон килограмма практически не подвергается какому-либо перемещению или использованию. Его копии хранятся в национальных метрологических учреждениях по всему миру. В 1889, 1948, 1989 и 2014 годах проводились верификации копий с эталоном с целью обеспечить единство измерений массы относительно эталона[6]. Поскольку были обнаружены изменения масс копий эталона, Международный комитет мер и весов (МКМВ) рекомендовал переопределить килограмм с помощью фундаментальных физических свойств.

Килограмм и постоянная Планка

Шаблон:Also Связь между массой и постоянной Планка с теоретической точки зрения определяется двумя формулами[7]. Эквивалентность массы и энергии связывает энергию <math>E</math> и массу <math>m</math>:

<math>\ E = mc^2,</math>

где <math>c</math> — скорость света в вакууме. Постоянная Планка <math>h</math> связывает квантовое и традиционное понятия энергии:

<math>E = h \nu,</math>

где <math>\nu</math> — частота.

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.

Файл:NIST-4 Kibble balance.jpg
Весы Киббла

Весы Киббла использовались с середины 1970-х годов для измерения величины постоянной Планка. Сотрудники Национального института стандартов США П. Мор (Шаблон:Lang-en) и Б. Тэйлор (Шаблон:Lang-en) в 1999 году предложили, наоборот, зафиксировать величину постоянной Планка и определять с помощью этих весов массу. Посмертно названные в честь изобретателя, Шаблон:Нп3, весы Киббла — это усовершенствование токовых весов, они представляют собой электромеханический инструмент, где масса вычисляется через электрическую мощность:

<math>U_1 I_2 = m g v_1,</math>

где <math>U_1 I_2</math> — произведение электрического тока <math>I_2</math> во время балансирования массы и напряжения <math>U_1</math> в процессе калибровки, <math>g v_1</math> — произведение ускорения свободного падения <math>g</math> и скорости катушки <math>v_1</math> во время калибровки весов. Если <math>g v_1</math> независимо замерено с высокой точностью (практические особенности эксперимента также требуют высокоточного замера частотыШаблон:Sfn), предыдущее уравнение по сути определяет килограмм в зависимости от величины ватта (или наоборот). Индексы у <math>U_1</math> и <math>I_2</math> 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)[8].

Связь между ваттом и постоянной Планка использует эффект Джозефсона и квантовый эффект ХоллаШаблон:Sfn[9]:

поскольку <math>I_2 = \frac {U_2} R</math>, где <math>R</math> — электрическое сопротивление, <math>U_1 I_2 = \frac {U_1 U_2} R</math>;
эффект Джозефсона: <math>U(n) = n f \left ( \frac h {2 e} \right )</math>;
квантовый эффект Холла: <math>R(i) = \frac 1 i \left (\frac h {e^2} \right )</math>,

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

<math>m = C f_1 f_2 \frac h {g v_1}</math>.

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

Этимология и употребление

Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme», которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι» (хилиои), что означает «тысяча», и «γράμμα» (грамма), что означает «маленький вес»[11]. Слово «kilogramme» закреплено во французском языке в 1795 году[12]. Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году[13], в то время как в США слово стало использоваться в форме «kilogram», позднее ставшее популярным и в Великобритании[14][К 1] Шаблон:Не переведено 2 в Великобритании не запрещает использование обоих написаний[15].

В XIX веке французское сокращение «kilo» было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов[16], так и километров[17].

История

Идея использовать заданный объём воды для определения единицы измерения массы была предложена английским философом Джоном Уилкинсом в его эссе 1668 года как способ связать массу и длину[18][19].

7 апреля 1795 года грамм был принят во Франции как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу [со стороной] в сотую часть метра, и при температуре тающего льда»[20][21]. В это же время была поручена работа с необходимой точностью определить массу кубического дециметра (литра) воды[К 2][20].

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.

Французский химик Шаблон:Не переведено 2 и итальянский натуралист Шаблон:Не переведено 2 после нескольких лет исследований решили переопределить наиболее устойчивую точку воды: температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, которая была определена в 4 °C[К 3][22]. Они решили, что 1 дм³ воды при своей максимальной плотности эквивалентен 99,9265 % массы временного эталона килограмма, изготовленного четыре года назад[К 4]. Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, согласно современному определению тоже составляет приблизительно 1000,0 килограммовШаблон:Sfn.

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 (Шаблон:Tr-fr)Шаблон:Sfn.

Файл:Standard kilogram, 2.jpg
Копия эталона 1 кг, хранится в США
Файл:DeviationsFromIPK.svg
Дрейф массы копий эталона

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[23], и с тех пор он хранится в Международном бюро мер и весов. В 1889 году было принято международное определение килограмма как массы международного прототипа килограммаШаблон:Sfn; это определение действовало до 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 эталонамШаблон:Sfn. Две копии международного эталона были переданы России[23], 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[24][25]. Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место[24]. 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 предметовШаблон:Sfn.

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[26]. В частности предлагалось, что «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06XШаблон:E, когда она выражается единицей СИ м2·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 проекта «Авогадро» (Шаблон:Lang-en). Команда проекта, создав шар из кристалла моноизотопного кремния 28Si массой 1 кг и рассчитав количество атомов в ней, предполагает описать килограмм как определённое количество атомов данного изотопа кремния[27]. Однако Международное бюро мер и весов не стало использовать такой вариант определения килограмма[26][28].

Шаблон:Main XXVI Генеральная конференция по мерам и весам в ноябре 2018 года одобрилаШаблон:Sfn новое определение килограмма, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка. Решение вступило в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

На практике взвешивание на весах Киббла — это чрезвычайно сложный эксперимент, и потому Генеральная конференция по мерам и весам в 2011 году рекомендовала создать набор вторичных стандартов в виде привычных гирек, включая как существующие платино-иридиевые эталоны, так и новые шары из кремния, которые будут далее использоваться для распространения эталона по мируШаблон:Sfn.

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».

В определениях мощности атомных бомб в тротиловом эквиваленте вместо гигаграмма применяется килотонна, вместо тераграмма — мегатонна.

Шаблон:Кратные и дольные единицы

Копии

Шаблон:Незавершённый раздел № 12, 26 — СССРШаблон:Sfn (Россия)

№ 20 — СШАШаблон:Sfn

См. также

Примечания

Комментарии

Шаблон:Примечания

Источники

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:ВС Шаблон:Единицы СИ

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Шаблон:Книга
  2. ↑ Шаблон:Citation Шаблон:Wayback
  3. ↑ Decision CIPM/105-13 (October 2016) Шаблон:Wayback. The day is the 144th anniversary of the Metre Convention.
  4. ↑ Шаблон:Cite web
  5. ↑ Шаблон:Cite web
  6. ↑ Шаблон:Cite web
  7. ↑ Шаблон:Cite web
  8. ↑ Шаблон:Статья
  9. ↑ Michael Stock. The watt balance: determination of the Planck constant and redefinition of the kilogram Шаблон:Wayback // Royal Society Discussion Meeting: The new SI, January 2011.Шаблон:Ref-en С. 10.
  10. ↑ Шаблон:Статья
  11. ↑ Шаблон:Книга
  12. ↑ Шаблон:Cite web
  13. ↑ Шаблон:Cite web
  14. ↑ Шаблон:Cite web
  15. ↑ Шаблон:Cite web
  16. ↑ Шаблон:Cite encyclopedia
  17. ↑ Шаблон:Cite encyclopedia Шаблон:Wayback
  18. ↑ Шаблон:Cite web
  19. ↑ Шаблон:Cite web
  20. ↑ 20,0 20,1 Шаблон:Cite web
  21. ↑ Шаблон:Книга
  22. ↑ Шаблон:Cite web
  23. ↑ 23,0 23,1 Шаблон:БСЭ3
  24. ↑ 24,0 24,1 Why change the SI? Шаблон:Wayback Шаблон:Ref-en на сайте Международного бюро мер и весов
  25. ↑ Шаблон:Cite web
  26. ↑ 26,0 26,1 Шаблон:Cite web
  27. ↑ Шаблон:Cite web
  28. ↑ Шаблон:Cite web


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «К» не найдено соответствующего тега <references group="К"/>

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Килограмм&oldid=10116060