Kilogramm

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. április 10-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 6 szerkesztést igényelnek .
Kilogramm
kg

A kilogramm nemzetközi prototípusának számítógép által generált képe, mellette egy hüvelykes vonalzó. Méretében egy golflabdához hasonlítható, élei le vannak vágva, hogy minimalizálják az anyagkopást.
Érték Súly
Rendszer SI
Típusú fő-
Lásd az SI előtagokat
 Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A kilogramm (orosz jelölése: kg ; nemzetközi: kg ) a tömeg mértékegysége, a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) hét alapegységének egyike . Ezenkívül tömegegység, és az egyik alapegység az ISS , MKSA , MKSK ( MKSG ), MKSL [1] rendszerekben . A kilogramm az egyetlen az alap SI-mértékegységek közül, amelyet az előtaggal ("kilo", "k" szimbólum) használnak.

A XXVI. Általános Súly- és Mértékkonferencia (2018. november 13–16.) jóváhagyta [2] a kilogramm meghatározását a Planck -állandó számértékének rögzítése alapján . A határozat 2019. május 20-án lépett hatályba.

A kilogramm, szimbólum kg, a tömeg SI mértékegysége; az értékét úgy állítjuk be, hogy a h Planck -állandó számértékét pontosan 6,62607015⋅10 -34 -re rögzítjük, amikor J⋅s SI-egységben fejezzük ki, ami egyenértékű kg⋅m 2 ⋅s −1 -tel , ahol a métert és másodpercet c és Δ ν Cs határozza meg . [3] [4]

A kilogramm 2019 májusáig érvényes meghatározását a III. Általános Súly- és Mértékkonferencia (CGPM) 1901-ben fogadta el, és a következőképpen fogalmazta meg [5] [6] :

A kilogramm egy tömegegység, amely megegyezik a kilogramm nemzetközi prototípusának tömegével.

2019. május 20-ig a kilogramm maradt az utolsó ember alkotta tárgyból meghatározott SI-mértékegység. Az új definíció elfogadása után gyakorlati szempontból a kilogramm értéke nem változott, de a meglévő „prototípus” (szabvány) már nem a kilogrammot határozza meg, hanem egy nagyon pontos súly, potenciálisan mérhető hibával. .

A kilogramm prototípusa

A kilogramm nemzetközi prototípusát ( szabványát ) a Nemzetközi Súly- és Mértékhivatalban tárolják ( a Párizs melletti Sevres -ben található ), és egy 39,17 mm átmérőjű és magasságú henger , amely platina-iridium ötvözetből (90% platina, 10% irídium).

A kilogramm modern nemzetközi szabványát az Általános Súly- és Mértékkonferencia (CGPM) adta ki 1889-ben a Metrikus Egyezmény (1875) alapján, és letétbe helyezte a Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) nevében eljárva. a CGPM. A kilogramm nemzetközi szabványát szinte soha nem mozgatják vagy használják. Ennek másolatait a világ nemzeti metrológiai intézményei őrzik . 1889-ben, 1948-ban, 1989-ben és 2014-ben a másolatokat szabvánnyal ellenőrizték, hogy biztosítsák a tömegmérések szabványhoz viszonyított egységességét [7] . Mivel a szabvány másolatainak tömegében változásokat fedeztek fel, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Bizottság (CIPM) azt javasolta, hogy a kilogrammot az alapvető fizikai tulajdonságok alapján határozzák meg újra .

A kilogramm és a Planck-állandó

A tömeg és a Planck -állandó közötti összefüggést elméleti szempontból két képlet határozza meg [8] . A tömeg és az energia egyenértékűsége összefügg az energiával és a tömeggel :

hol  van a fény sebessége vákuumban. Planck állandója összekapcsolja az energia kvantum- és hagyományos fogalmait:

hol  a frekvencia .

Ez a két, a 20. század elején talált képlet megalapozza a tömegmérés elméleti lehetőségét az egyes fotonok energiáján keresztül , de a tömeg és a Planck-állandó összefüggését lehetővé tevő gyakorlati kísérletek csak a 20. század végén jelentek meg. .

A Kibble-mérleget az 1970-es évek közepe óta használták a Planck-állandó értékének mérésére. Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi Intézetének munkatársai P. More ( angol.  Peter Mohr ) és B. Taylor ( angol.  Barry Taylor ) 1999-ben éppen ellenkezőleg, a Planck-állandó értékének rögzítését és a tömeg meghatározását javasolták ezekkel a súlyokkal. Posztumusz a feltalálóról, B. Kibble -ről nevezték el, a Kibble mérleg az áramegyensúly javítása , egy elektromechanikus műszer , ahol a tömeget elektromos teljesítményen keresztül számítják ki :

ahol  a tömegkiegyenlítés során fellépő elektromos áram és a kalibrálás során fellépő feszültség  szorzata, a gravitációs gyorsulás és a tekercssebesség szorzata a mérleg kalibrálása során. Ha önállóan, nagy pontossággal mérjük (a kísérlet gyakorlati szempontjai is nagy pontosságú frekvencia mérést igényelnek [9] ), az előző egyenlet lényegében a kilogrammot a watt nagyságának függvényében határozza meg (vagy fordítva). Az y és alsó indexek bevezetése annak bizonyítására szolgál, hogy ez virtuális teljesítmény (a feszültség- és árammérések különböző időpontokban történnek), elkerülve a veszteségek hatását (amit például az indukált Foucault-áramok okozhatnak ) [10] .

A watt és a Planck-állandó közötti kapcsolat a Josephson-effektust és a kvantum Hall-effektust használja [9] [11] :

mivel , hol  van az elektromos ellenállás , ; Josephson-effektus: ; kvantum Hall effektus: ,

ahol és  egész számok (az első a Shapiro lépéshez kapcsolódik , a második a kvantum Hall-effektus platójának kitöltési tényezője),  a Josephson-effektusból származó frekvencia,  az elektrontöltés . Miután behelyettesítettük a kifejezéseket a hatvány képletébe és behelyettesítettük, és az összes egész együtthatót egyetlen konstanssá egyesítettük , a tömeg lineárisan kapcsolódik a Planck-állandóhoz:

.

Mivel ebben az egyenletben az összes többi mennyiség a tömegtől függetlenül meghatározható, a Planck-állandóhoz a 6,62607015×10 −34 J s érték rögzítése után ez tekinthető a tömegegység definíciójának . [12]

Etimológia és használat

A „kilogramm” szó a francia „ kgme ” szóból származik, amely a görög „ χίλιοι ” ( chilioi ) szóból, ami „ezret” jelent, és a „ γράμμα ” ( gram ) szóból, ami „kis súlyt” jelent. [13] . A „ kilogram ” szót 1795-ben rögzítették a franciául [14] . A szó francia írásmódja Nagy-Britanniába szállt át, ahol először 1797-ben használták [15] , míg az USA-ban „ kilogram ” alakban használták a szót , amely később Nagy-Britanniában vált népszerűvé [16] [C 1 ] és súlyok ( Eng.  Weights and Measures Act ) az Egyesült Királyságban nem tiltja mindkét írásmód használatát [17] .

A 19. században a francia " kilo " rövidítést átvették az angol nyelvbe, ahol a kilogramm [18] és a kilométer [19] megjelölésére is használták .

Történelem

John Wilkins angol filozófus javasolta 1668-as esszéjében a tömeg és a hossz összefüggésének módszerét egy adott térfogatú víz felhasználásával a tömegegység meghatározására [20] [21] .

1795. április 7-én Franciaországban a grammot úgy fogadták el, mint "a tiszta víz térfogatának abszolút tömege, amely egyenlő egy századméteres kockával, és az olvadó jég hőmérsékletén" [22] [23] . Ugyanakkor a szükséges pontossággal munkát bíztak egy köbdeciméter (liter) víz tömegének meghatározására [K 2] [22] .

Mivel a kereskedelem és a kereskedelem általában olyan tárgyakkal foglalkozik, amelyek tömege jóval nagyobb, mint egy gramm, és mivel a vízből készült tömeg etalonát kényelmetlen lenne kezelni és megőrizni, előírták, hogy találjanak módot egy ilyen meghatározás gyakorlati alkalmazására. Ebben a tekintetben ideiglenes tömegszabványt készítettek egy grammnál ezerszer nehezebb fémtárgy formájában - 1 kg.

Louis Lefèvre -Gineau francia kémikus és  Giovanni Fabbroni olasz természettudós több éves kutatás után úgy döntöttek , hogy újradefiniálják a víz legstabilabb pontját: azt a hőmérsékletet, amelyen a víz a legnagyobb sűrűségű, amelyet 4 °C-on határoztak meg [K 3 ] [24] . Úgy döntöttek, hogy 1 dm³ víz maximális sűrűségénél a négy évvel ezelőtti ideiglenes kilogramm-szabvány tömegének 99,9265%-ának felel meg [K 4] . Érdekes módon 1 m³ desztillált víz tömege 4 °C-on és atmoszférikus nyomáson, amelyet az 1799-es történeti meghatározásban pontosan 1000 kilogrammnak vettünk, a modern definíció szerint szintén hozzávetőlegesen 1000,0 kilogramm [25] .  

Az ideiglenes etalon sárgarézből készült, és fokozatosan patinásodást hoz létre , ami nem volt kívánatos, mivel a tömege nem változott. 1799-ben Lefevre-Genault és Fabbroni irányításával porózus platinából , amely kémiailag inert, állandó kilogramm etalont készítettek. Ettől a pillanattól kezdve a standard tömege lett a kilogramm fő meghatározása. Ezt a szabványt most kilogramm des Archives néven ismerik (  franciául  -  „archív kilogramm”) [25] .

A 19. század folyamán a tömegmérési technológiák jelentősen fejlődtek. E tekintetben, és a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda 1875-ös létrehozására számítva egy különleges nemzetközi bizottság tervezett áttérést egy új kilogramm-szabványra. Ez a "kilogramm nemzetközi prototípusának" nevezett szabvány platina-iridium ötvözetből (a tiszta platinánál erősebb) készült, 39 mm magas és átmérőjű henger formájában [26] , és azóta is őrzik. a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda. 1889- ben a kilogramm nemzetközi definícióját a kilogramm nemzetközi prototípusának tömegeként fogadták el [25] ; ez a meghatározás 2019-ig volt érvényben.

A kilogramm nemzetközi prototípusáról másolatok is készültek: hat (jelenleg) hivatalos példány; számos munkaszabvány, amelyet különösen a prototípus és a hivatalos másolatok tömegének változásának nyomon követésére használnak; és a munkaszabványokhoz kalibrált nemzeti szabványok [25] . A nemzetközi szabvány két példányát Oroszországba szállították [26] , ezeket az Összoroszországi Metrológiai Kutatóintézetben tárolják . Mengyelejev .

A nemzetközi szabvány elkészítése óta eltelt idő alatt többször is összehasonlították a hivatalos másolatokkal. A mérések azt mutatták, hogy a másolatok tömege a standardhoz képest átlagosan 50 µg -mal nőtt 100 év alatt [27] [28] . Bár a nemzetközi szabvány tömegének abszolút változása a meglévő mérési módszerekkel nem határozható meg, ennek mindenképpen meg kell történnie [27] . A kilogramm nemzetközi prototípus tömegében bekövetkezett abszolút változás nagyságának becsléséhez olyan modelleket kellett készíteni, amelyek figyelembe veszik magának a prototípusnak, a hivatalos másolatainak és a működési szabványoknak a tömege összehasonlításának eredményeit (a ugyanakkor, bár az összehasonlításban részt vevő etalonokat általában előmosták és megtisztították, de nem mindig), ami tovább bonyolította a tömeges változások okainak teljes megértésének hiányát. Ez annak megértéséhez vezetett, hogy el kell távolodni a kilogramm anyagi tárgyakon alapuló meghatározásától [25] .

2011-ben a XXIV. Általános Súly- és Mértékkonferencia határozatot fogadott el, amely a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) jövőbeni felülvizsgálata során javasolja az alapegységek újradefiniálását, hogy azok ne ember által előállított műtárgyakon alapuljanak, hanem alapvető fizikai tárgyakon. az atomok állandói vagy tulajdonságai [29] . Konkrétan azt javasolták, hogy „a kilogramm tömegegység marad, de értékét úgy határozzuk meg, hogy a Planck-állandó számértékét pontosan 6,626 06X⋅10 −34 -rel rögzítjük , amikor az m 2 SI mértékegységben van kifejezve. kg s −1 , ami egyenlő J With". A Határozat megjegyzi, hogy közvetlenül a kilogramm állítólagos újradefiniálása után nemzetközi prototípusának tömege 1 kg lesz, de ez az érték hibás lesz, és ezt követően kísérleti úton határozzák meg. A kilogramm e meghatározása a fizika XX. századi fejlődésének köszönhetően vált lehetővé.

2014-ben rendkívüli összehasonlítást végeztek a kilogramm nemzetközi prototípusának tömegei, hivatalos példányai és a működési szabványok között; ennek az összehasonlításnak az eredményei a 2014-es és 2017-es CODATA alapállandók ajánlott értékein alapulnak , amelyeken a kilogramm új meghatározása alapul.

A The Avogadro Project munkája alapján a kilogramm egy alternatív meghatározását is mérlegelték .  A projektcsapat, miután egy 1 kg tömegű monoizotóp szilícium 28 Si kristályból golyót készített, és kiszámította a benne lévő atomok számát, azt javasolja, hogy egy kilogrammot egy adott szilícium-izotóp bizonyos számú atomjaként írjanak le [30] . A Nemzetközi Súly- és Mértékiroda azonban nem használta a kilogramm meghatározásának ezt a változatát [29] [31] .

A 2018. novemberi XXVI. Általános Súly- és Mértékkonferencia jóváhagyta [2] a kilogramm új meghatározását, amely a Planck -állandó számértékének rögzítésén alapul . A döntés a Metrológia Világnapján , 2019. május 20-án lépett hatályba .

A gyakorlatban a Kibble mérlegen történő mérés rendkívül összetett kísérlet, ezért a 2011-es Általános Súly- és Mértékkonferencia egy másodlagos etalonkészlet létrehozását javasolta ismert súlyok formájában, beleértve a meglévő platina-iridium szabványokat és újakat is. szilícium golyók, amelyeket a továbbiakban a szabvány terjesztésére fognak használni az egész világon [9] .

Többszörösek és résztöbbségek

Történelmi okokból a „kilogram” név már tartalmazza a „kilo” decimális előtagot, így a többszörösek és részszorosok úgy jönnek létre, hogy a szabványos SI előtagokat hozzáadjuk a „gram” egység nevéhez vagy megjelöléséhez (ami az SI rendszerben maga is egy részmultiple: 1 g = 10 −3 kg).

A megagram (1000 kg) helyett általában a " tonna " mértékegységet használják.

Az atombombák teljesítményének TNT -ben kifejezett meghatározásában a gigagram helyett a kilotonnát , a teragram helyett a megatonnát használják .

Többszörös Dolnye
nagyságrendű cím kijelölés nagyságrendű cím kijelölés
10 1 g dekagramm doug dag 10-1 g _ dg dg dg
10 2 g száz gramm gg hg 10-2 g _ centigramm vmi cg
10 3 g kilogramm kg kg 10-3 g _ milligramm mg mg
10 6 g megagramm Mg mg 10-6 g _ mikrogramm mcg µg
10 9 g gigagramm Gg gg 10-9 g _ nanogramm ng ng
10 12 g teragram Tg Tg 10-12 g _ pikogramok old old
10 15 g petagramma old old 10-15 g _ femtogram fg fg
10 18 g exagram Például Például 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
     használatra ajánlott      alkalmazása nem javasolt      nem vagy ritkán használják a gyakorlatban

Másolatok

No. 12, 26 - Szovjetunió [32] (Oroszország)

No. 20 – USA [32]

Lásd még

Jegyzetek

Hozzászólások
  1. ↑ A kilogramm helyesírása a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST), az Egyesült Királyság Nemzeti Mérésügyi Hivatala , a Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács és a National Measurement Institute által használt modern forma . Measurement Institute , Ausztrália.  
  2. Ugyanez a direktíva úgy határozta meg a litert, mint "folyadékok és szilárd anyagok térfogatának mértékegységét, amely megegyezik egy kocka térfogatával [amelynek oldala] tizedméter". Eredeti szöveg: " 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. A modern mérések azt mutatják, hogy az a hőmérséklet, amelyen a víz legnagyobb sűrűségű, 3,984 °C. A 18. század végének tudósai azonban 4 °C-os értéket használtak.
  4. ↑ A kilogramm köztes etalonját Antoine Lavoisier és René Just Gahuy által korábban elvégzett egyetlen pontatlan vízsűrűség-mérésnek megfelelően készítették el , amely azt mutatta, hogy egy köbdeciméter 0 °C-os desztillált víz tömege 18 841 szem. a francia mértékrendszer szerint ( eng. Units of mérés Franciaországban ), amely hamarosan megszűnt. Lefèvre-Ginot és Fabbroni újabb és pontosabb mérése kimutatta, hogy egy köbdeciméter víz tömege 4 °C-on 18 827,15 szem. 
Források
  1. Dengub V. M. , Smirnov V. G. Mennyiségek mértékegységei. Szótári hivatkozás. - M . : Szabványok Kiadója, 1990. - S. 61. - 240 p. — ISBN 5-7050-0118-5 .
  2. 12 cgpm26nist . _
  3. A „A nemzetközi mértékegységrendszer (SI) felülvizsgálatáról” szóló határozattervezet, amelyet a CGPM 26. ülésén kell benyújtani (2018) , < https://www.bipm.org/utils/en/pdf/CGPM /Draft-Resolution-A-EN.pdf > Archiválva : 2018. április 29. a Wayback Machine -nél 
  4. CIPM/105-13 határozat (2016. október) Archiválva : 2017. augusztus 24. a Wayback Machine -nél . Ez a nap a mérőegyezmény 144. évfordulója .
  5. Tömegegység (kilogramm  ) . SI Brosúra: The International System of Units (SI) [8. kiadás, 2006; frissítve 2014-ben] . BIPM . Letöltve: 2015. november 11. Az eredetiből archiválva : 2021. január 2.
  6. Az Orosz Föderációban használható mennyiségi egységekre vonatkozó előírások (elérhetetlen link) . Szövetségi Információs Alapítvány a mérések egységességének biztosítására . Rosstandart . Letöltve: 2018. február 28. Az eredetiből archiválva : 2017. szeptember 18.. 
  7. Ellenőrzések  _ _ 25. CGPM (2014) 1. határozata . BIPM . Letöltve: 2015. október 8. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 8..
  8. Kilogramm: Tömeg és Planck-  állandó . NIST . Letöltve: 2018. november 18. Az eredetiből archiválva : 2018. november 19.
  9. 1 2 3 Goebel, Siegner, 2015 , p. 165-167.
  10. Robinson IA, Schlamminger S. A watt- vagy Kibble-egyensúly: a tömegegység új SI-definíciójának megvalósítási technikája   // Metrologia . - 2016. - Kt. 53 . - P.A46-A74 . - doi : 10.1088/0026-1394/53/5/A46 .
  11. Michael Stock. A wattegyenleg: a Planck-állandó meghatározása és a kilogramm újradefiniálása Archiválva : 2012. szeptember 1., a Wayback Machine // Royal Society Discussion Meeting: The new SI, 2011. január  10. o .
  12. Alekszej Poniatov. Az utolsó kilogramm feladta  // Tudomány és élet . - 2019. - 3. sz . - P. 3-7 .
  13. Fowler, H. W.; Fowler, FG A tömör oxfordi szótár  . – Oxford: Oxford University Press , 1964.
  14. Decret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (1795. április 7.)  (francia) . Grandes lois de la Republique . Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Letöltve: 2011. november 3. Az eredetiből archiválva : 2013. május 10.
  15. Kilogramm (nem elérhető link) . Oxford angol szótár . Oxford University Press. Letöltve: 2011. november 3. Az eredetiből archiválva : 2013. május 10. 
  16. Kilogramm . Oxfordi szótárak . Letöltve: 2011. november 3. Az eredetiből archiválva : 2013. május 10.
  17. A "gram" stb. helyesírása . 1985. évi súly- és mértéktörvény . Őfelsége Irodaszer Iroda (1985. október 30.). Letöltve: 2011. november 6. Az eredetiből archiválva : 2013. május 10.
  18. kilo (n1) , Oxford English Dictionary (2. kiadás), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394 > . Letöltve: 2011. november 8 . 
  19. kilo (n2) , Oxford English Dictionary (2. kiadás), Oxford: Oxford University Press, 1989 , < http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395 > . Letöltve: 2011. november 8 . Archiválva : 2015. július 21. a Wayback Machine -nál 
  20. Esszé egy igazi karakter és egy filozófiai nyelv felé (Reprodukció) (PDF). Letöltve: 2011. április 3. Az eredetiből archiválva : 2013. május 10.
  21. Esszé egy igazi karakter és egy filozófiai nyelv felé (átírás) (PDF). Letöltve: 2011. április 3. Az eredetiből archiválva : 2013. május 10.
  22. 1 2 rendelet a súlyokról és mértékekről  (francia) (1795. április 7.). " 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." Az eredetiből archiválva: 2013. május 10.
  23. Gattel CM Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise . - 1797. - 1. évf. 2. - 695. o.
  24. L'histoire du mètre, la determination de l'unité de poids . Az eredetiből archiválva: 2013. május 10.
  25. 1 2 3 4 5 Davis, Barat, Stock, 2016 .
  26. 1 2 kilogramm / K. P. Shirokov // Kvarner - Kongur. - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1973. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [30 kötetben]  / főszerkesztő A. M. Prohorov  ; 1969-1978, 12. köt.).
  27. 1 2 Miért kell megváltoztatni az SI-t? Archivált : 2013. január 27. a Wayback Machine   -nél a Nemzetközi Súly- és Mértékiroda honlapján
  28. ↑ A kilogramm újradefiniálása felé  . A BIPM watt egyensúly . BIPM . Letöltve: 2015. október 10. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 8..
  29. 1 2 A Nemzetközi Mértékegységrendszer jövőbeli felülvizsgálatáról, az  SI . 24. CGPM (2011) 1. határozata . BIPM. Letöltve: 2015. november 11. Az eredetiből archiválva : 2012. március 4..
  30. Az Avogadro Project (lefelé irányuló kapcsolat) . Letöltve: 2015. október 8. Az eredetiből archiválva : 2014. április 7.. 
  31. A Nemzetközi Mértékegységrendszer jövőbeli felülvizsgálatáról az  SI . 25. CGPM (2014) 1. határozata . BIPM. Letöltve: 2015. november 11. Az eredetiből archiválva : 2017. május 14.
  32. 1 2 Elliott, 1975 , p. 31.

Irodalom

Linkek