Где хранится международный эталон килограмма? Эталон массы

Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определœение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделœеева.

Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, чересчур чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, данный прототип до сих пор служит всœеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. В случае если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.

За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем данный прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр.
Размещено на реф.рф
В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. В случае если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия бывают очень трагичными. Ученые всœего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.

Эталоны времени .

Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. К примеру, мобильная связь, мобильный телœефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди всœе видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.

Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсœем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.

Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителœен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определœение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителœей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всœего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Далее данные всœех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всœего в одну наносœекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.

ʼʼХранители времениʼʼ. Как бы загадочно должность этих специалистов ни звучала, атомные часы в Институте радиотехнических измерений, по которым сверяет стрелки вся страна, не выглядят фантастически. Хотя здесь оперируют нано и пико секундами, человеку почувствовать такую точность не дано.

ʼʼКогда говорят о точном времени, то в своей массе, на бытовом уровне, люди слышат, передающие сигналы проверки времени по радио ʼʼпи, пи, пиʼʼ, вот это точное время. На самом делœе это время с нашей колокольни мало точное, очень скромной точности. Национальная шкала времени та͵ которую мы здесь формируем. Погрешность за сутки составляет приблизительно несколько стомиллиардных долей секунды в суткиʼʼ, Чтобы атомные часы убежали вперед или отстали на секунду, должны пройти миллионы лет. Главные потребители эталонного времени – сотовая связь и навигация.

ʼʼСовременные системы радионавигации пользуются электромагнитными сигналами, которые распространяются со скоростью светаʼʼ. За миллиардную долю секунды свет распространяется на 30 сантиметров. В случае если мы хотим с помощью ГЛОНАСС определять своё местоположение с метровой точностью, это значит, что вся система должна работать с погрешностью одну – две миллиардные доли секунды. GPS, ГЛОНАСС - ϶ᴛᴏ система спутников, которые предназначены для точного определœения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR – американская группировка спутников, ГЛОНАСС – российская.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Полвека. Бурное развитие квантовой физики привело к тому, что в серединœе XX века появились первые атомные часы, а Международный комитет по мерам и весам принял решение перейти на атомный стандарт. Современный эталон времени - ϶ᴛᴏ цезиевый репер частоты. Прибор за стеклом, заходить в комнату нельзя, т.к. у прибора ʼʼтепличные условияʼʼ, они созданы специально для того, чтобы внешний мир не мешал работе. А если говорить о точности, то это десятимиллионная часть миллиардной доли секунды. Выговорить и осмыслить сложно. Казалось бы, что ещё в природе должна быть точнее? Оказывается, может - нейтронные звёзды. Пульсары или нейтронные звезды - это то, во что превращаются звёзды после своей гибели. Οʜᴎ взрываются, быстро закручиваются. Появляется шар с желœезной оболочкой и огромной силой притяжения, излучающий волны со строгой периодичностью. ʼʼЭлектрическое поле вырывает электроны прямо с поверхности звезды, а она желœезная, они летят, ускоряются и в направлении своего движения они излучают разные волныʼʼ. Пульсары открыли английские астрономы в 1967 году. Информация долго была секретной. Думали, что это сигнал внеземных цивилизаций. Ведь не могут природные объекты давать радиосигналы с такой частотой. Привлекали даже шифровальщиков. При этом гипотеза об искусственном происхождении вспышек не подтвердилась. ʼʼВ случае если бы мы захотели с кем-то вступить в контакт, - говорит Михаил Попов, - можно подавать позывные, они никакой информации не несут, импульсы, которые в жизни не должны образовываться. Пока не открыли пульсары, так думалиʼʼ. Идею, использовать пульсары для сверки земных часов, предложили российские ученые. Точность звёздных импульсов превосходит атомный эталон на несколько порядков. Получается, что вскоре, на вопрос: ʼʼКоторый час?ʼʼ человечеству будет отвечать Вселœенная.

Килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, хранящегося в Международном бюро мер и весов и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Первоначально в качестве единицы массы химик Антуан Лавуазье и кристаллограф Рене Жюст Айи предложили в 1793 году французской Комиссии мер и весов использовать грамм - массу одного кубического сантиметра чистой воды при температуре плавления льда. Для удобства практического использования уже упоминавшийся Ленуар изготовил эталонную медную гирю массой в 1000 грамм. С 1795 года новую единицу массы стали называть килограммом. Через четыре года было принято предложение физика Луи Лефевра-Гиньо взвешивать воду при температуре ее максимальной плотности (4°С). Новый эталон килограмма был изготовлен из платины и помещен на хранение в Архив Республики. Были также сделаны несколько его копий для использования в качестве образцов при изготовлении гирь. Однако произведенные в XIX веке измерения показали, что масса 1 дм 3 воды на 0,028 г меньше массы архивного эталона. Чтобы не допустить в будущем никаких разночтений, Международная комиссия по эталонам метрической системы в 1872 году решила принять в качестве единицы массы массу прототипа - Архивного килограмма.

В 1880 году увидел свет международный эталон килограмма из сплава, состоящего из платины и иридия, тогда же были изготовлены и четыре из шести ныне существующих официальных копий этого эталона.

Все они сейчас хранятся под двумя герметичными стеклянными колпаками в сейфе, расположенном в подвале Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures - BIPM) в Севре неподалеку от Парижа. В 1889 году 1-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла определение килограмма как равного массе международного эталона. Это определение действительно и в наше время.К сведению - Международное бюро мер и весов, МБМВ (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIMP) - постоянно действующая международная организация со штаб-квартирой, расположенной в городе Севр (предместье Парижа, Франция). Учреждено в 1875г., вместе с подписанием Метрической конвенции. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции. В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

Копия международного эталона хранятся также и в Российской Федерации, во ВНИИ метрологии им. Менделеева. Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам, за сто лет международный эталон теряет 0,00000003-ую часть своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.

Килограмм - одна из семи основных величин международной системы единиц СИ. Остальные - метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела - не привязаны к конкретным материальным носителям. Платиново-иридиевый эталон метра был отменен в 1960 году. Единственный в настоящее время оставшийся «механический» эталон - это килограмм. Но даже масса главного международного эталона со временем меняется - к настоящему времени считается, что он «похудел» на 50 мкг за счет микропереноса вещества на поверхность подставки во время хранения, а также на поверхность захватов, которыми его перемещают при сверке с национальными эталонами.

Всё это может искажать результаты сверхточных научных расчетов, поэтому ученые задумываются о необходимости дать новое определение килограмму. В 1975 году доктор Брайан Киббл из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании предложил идею так называемых ватт-весов. Это устройство позволяет связать между собой единицы электрической и механической мощности. «Эта связь - основа метрологии, - объясняет «Популярной механике» ведущий научный сотрудник Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева Эдмунд Француз. - Весы состоят из двух катушек, взаимодействующих между собой при протекании электрического тока. В отличие от токовых весов, здесь используется дополнительная калибровка при движении катушки с известной скоростью в эталонном магнитном поле. За счет этого удается существенно уменьшить ошибку измерения силы взаимодействия, обусловленную геометрией катушки. Таким образом, можно выразить килограмм через электрические единицы, измеренные на основе квантовых эффектов, то есть через фундаментальные константы, - это позволит избавиться от «механического» эталона. Пока что работающие ватт-весы реализованы в США в NIST и в NPL, но на данный момент наименьшая погрешность их измерений составляет 3,6×10 –8 , что минимум в два раза хуже, чем необходимо для эталона».

Другой способ переопределить килограмм предложила группа ученых из Германии, Австралии, Италии и Японии под руководством исследователей из Физико-технического института Германии. Они намерены использовать «метод Авогадро», то есть определить килограмм как энное число атомов. «Основные трудности этого метода в том, что нужно построить идеальную кристаллическую решетку, - говорит Эдмунд Француз, - без единого дефекта, и притом из одного изотопа - кремния-28. Относительная погрешность этого метода пока еще слишком велика - 3,1×10 –7 . Кстати, было еще одно направление, которое разрабатывалось у нас во ВНИИМ и в Японии, - метод левитирующей сверхпроводниковой массы, который обеспечивал точность порядка 4×10 –6 . Но по различным причинам исследования не были завершены ни в одной из стран».

Так что килограмм пока остается последним чисто механическим эталоном.

К сведению - допустимая абсолютная погрешность широко распространенной гири массой 1 килограмм составляет 0,5 грамма.

По материалам сайтов:www.omedb.ru; www.russianamerica.com; wikipedia.org.

Средства измерений, обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и предназначенные для обеспечения единства измерений, являются эталонами единиц физических величин .

В зависимости от подчиненности национальные эталоны подразделяются на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные).

1. Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в настоящее время в соответствующих областях измерений.
2. Специальные эталоны воспроизводят единицы в условиях, при которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима.

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и поэтому утверждаются в качестве государственных эталонов .

Вторичные эталоны подразделяются на:

• эталоны-копии,
• эталоны сравнения,
• рабочие эталоны.

Эталоны-копии являются связующими звеньями для передачи размера единицы от первичных к рабочим эталонам. Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения первичных эталонов, рабочие эталоны - для поверки образцовых и рабочих средств высшей и высокой точности.

В зависимости от состава технических средств, входящих в эталон, различают:

• одиночные эталоны,
• групповые,
• эталонные наборы,
• эталонные комплексы.

Одиночный состоит из одного средства измерений (меры, измерительного прибора, измерительной установки), обеспечивающего воспроизведение и (или) хранение единицы самостоятельно, без участия других средств измерений того же типа.

Групповой эталон - это совокупность однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяют как среднее арифметическое из значений, найденных с помощью отдельных средств измерений, входящих в состав группового эталона.

Эталонный набор - совокупность средств измерений (мер или измерительных приборов), каждое из которых позволяет воспроизводить и хранить значения физической величины в определенном диапазоне. Иными словами, каждое отдельное средство измерений, входящее в состав эталона, имеет свои номинальные значения или диапазоны измерений. Совокупность средств измерений эталонного набора дает возможность расширить границы диапазона кратных и (или) дольных значений воспроизводимой физической величины.

Эталонный комплекс средств измерений - совокупность неоднотипных технических средств, необходимых для воспроизведения и хранения единицы. Именно к таким эталонам принадлежит государственный первичный эталон единицы массы .

Из чего состоит эталон массы

Он состоит из комплекса следующих средств измерений:

1. национального прототипа килограмма - копии № 12 Международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава, предназначенную для передачи размера единицы массы гире R1;
2. национального прототипа килограмма - копии № 26 Международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава, предназначенную для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма № 12 и для замены его в период сличений 11 в МБМВ (международный банк мер и весов);
3. гири R1 и набора гирь, изготовленных из платиноиридиевого сплава, предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам-копиям;
4. двух компараторов (эталонных весов).

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1 кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с Международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10(-3) мг. Гирю R1 с номинальным значением массы 1 кг и набор гирь с номинальными значениями массы от 1*10(-6) до 5*10(-1) кг сличают с номинальным прототипом килограмма - копией № 12 - со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 8*10(-3) мг для гири R1 и 2*10(-4) - 1,6*10(-2) мг - для набора гирь.

В качестве компараторов применяют эталонные весы однорычажного равноплечего исполнения, имеющие наибольшие пределы взвешивания 1 кг (НмПВ- 2*10(-3) мг), среднее квадратическое отклонение результатов наблюдений которых от 5*10(-4) до 3*10(-2) мг. Цена деления весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Вторичными эталонами единицы массы являются эталоны-копии и рабочие эталоны. В качестве эталонов-копий применяют гири с номинальным значением массы 1 кг, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали и компаратор (весы). Среднее квадратическое отклонение результатов сличения эталонов-копий с государственным не должно превышать 1*10(-2) мг.

Эталонные весы, используемые в качестве компаратора, с наибольшим пределом взвешивания 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдений, не превышающее 3*10(-2) мг. Цена деления весов, не должна превышать 4*10(-2) мг. Нестабильность эталонов-копий v за межповерочный срок не должна превышать 3*10(-2) мг. Эталоны-копии применяют для передачи размера единицы массы рабочим эталонам сличения с помощью компаратора. В качестве рабочих эталонов применяют одиночные гири, номинальной массы 1 кг и наборы гирь массой от 1 до 500 г, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, и компараторы (весы).

Среднее квадратическое отклонение результатов сличения рабочих эталонов с эталонами-копиями должно лежать в пределах от 8*10(-4) до 2*10(-2) мг.

Эталонные весы (компараторы), имеющие диапазон измерений от 2*10(-3) до 1 кг, обеспечивают значение среднего квадратического отклонения результатов наблюдений на весах от 5*10(-4) до 5*10(-2) мг. Цена деления эталонных весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Нестабильность рабочих эталонов v за межповерочный интервал составляет от 16*10(-4) до 4*10(-2) мг.

Рабочие эталоны применяют для поверки образцовых гирь Iа и I разрядов и рабочих гирь 1-го класса сличением на компараторе. Средства, входящие в состав вторичных эталонов, выполняют следующие функции:

• хранение единицы,
• контроль условий хранения,
• передача размера единицы массы образцовым и рабочим средствам измерений.

Средства, методы и точность передачи размера единицы от эталона рабочим средствам измерений регламентируются документами, утвержденными в установленном порядке, называемыми поверочными схемами. Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Государственные поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов. Приведенные в поверочных схемах названия эталонных, образцовых и рабочих средств измерений сопровождаются числовыми значениями рабочих диапазонов воспроизведения (для мер) или измерения (для измерительных приборов) воспроизводимых или измеряемых физических величин, а также значениями пределов допускаемой погрешности всех средств измерений, входящих в поверочную схему.

Методы поверки

Важное значение для четкой регламентации и ранжирования взаимосвязи средств измерений, входящих в ту или иную поверочную схему, имеют методы, применяемые при поверке. Методы поверки, указанные в поверочной схеме, отражают специфику поверки данного вида средств измерений. Они должны соответствовать одному из следующих общих методов:

1. непосредственное (без компаратора) сличение поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида, т. е. меры с мерой или измерительного прибора с измерительным прибором;
2. прямое измерение поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой;
3. прямое измерение образцовым измерительным прибором величины, воспроизведенной мерой, подвергаемой поверке;
4. косвенные измерения величины, воспроизводимой мерой или измеряемой прибором, подвергаемым поверке;
5. независимая поверка, т. е. поверка средств измерений относительных (безразмерных) величин, не требующая передачи размера единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, градуированным в единицах измеряемых величин.

Специфика средств измерений, входящих в приведенную на рис.1 схему, позволяет использовать и регламентировать только два из шести перечисленных методов поверки:

• сличение поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида с помощью компаратора;
• прямое измерение поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой.

Для раскрытия взаимосвязей средств измерений, имеющих место при передаче размера единицы массы от эталона рабочим мерам и приборам ниже приведены основные параметры и нормированные значения погрешности образцовых и рабочих средств измерений, входящих в названную поверочную схему, а также указаны методы, применяемые при поверке каждого средства измерений.

Новое определение килограмма , основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступит в силу 20 мая 2019 года. При этом с практической точки зрения величина килограмма не изменится, но существующий «прототип» (эталон) более не будет определять килограмм, а станет очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.

Прототип килограмма

Килограмм и постоянная Планка

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.

где U 1 I 2 {\displaystyle U_{1}I_{2}} - произведение электрического тока во время балансирования массы и напряжения в процессе калибровки, - произведение ускорения свободного падения g {\displaystyle g} и скорости катушки v 1 {\displaystyle v_{1}} во время калибровки весов. Если g v 1 {\displaystyle gv_{1}} независимо замерено с высокой точностью (практические особенности эксперимента также требуют высокоточного замера частоты ), предыдущее уравнение по сути определяет килограмм в зависимости от величины ватта (или наоборот). Индексы у U 1 {\displaystyle U_{1}} и I 2 {\displaystyle I_{2}} 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) .

Связь между ваттом и постоянной Планка использует эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла :

Поскольку I 2 = U 2 R {\displaystyle I_{2}={\frac {U_{2}}{R}}} , где R {\displaystyle R} - электрическое сопротивление , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\displaystyle U_{1}I_{2}={\frac {U_{1}U_{2}}{R}}} ; эффект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\displaystyle U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)} ; квантовый эффект Холла: R (i) = 1 i (h e 2) {\displaystyle R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)} ,

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

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

Этимология и употребление

Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme », которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι » (chilioi ), что означает «тысяча» и «γράμμα » (gramma ), что означает «маленький вес» Слово «kilogramme » закреплено во французском языке в 1795 году . Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году , в то время как в США слово стало использоваться в форме «kilogram », позднее ставшее популярным и в Великобритании Положение о мерах и весах (англ. Weights and Measures Act ) в Великобритании не запрещает использование обоих написаний .

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

Природа массы

Измерение массы через вес тела - действие силы тяжести на измеряемый объект вызывает деформацию пружины.

Измерение гравитационной массы - действие силы тяжести на измеряемый объект уравновешено действием силы тяжести на противовес.

Килограмм является единицей массы , величины , которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса характеризует два различных свойства тела: гравитационное взаимодействие с другими телами и инертность . Первое свойство выражается законом всемирного тяготения : гравитационное притяжение прямо пропорционально произведению масс. Инертность находит отражение в первом (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила) и втором законе Ньютона: a = F/m ; то есть объект массой m в 1 кг получит ускорение a в 1 метр в секунду за секунду (около одной десятой ускорения свободного падения , вызванного притяжением Земли) , когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон . По современным представлениям, гравитационная и инертная массы эквивалентны .

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.

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 (с фр.  -  «архивный килограмм») .

Копия эталона 1 кг, хранится в США.

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 , и с тех пор он хранится в Международном бюро мер и весов. В 1889 году было принято международное определение килограмма как массы международного прототипа килограмма ; это определение продолжит действовать до мая 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 эталонам . Две копии международного эталона были переданы России , 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 . Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место . 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 предметов .

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 . В частности предлагалось, что «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X⋅10 −34 , когда она выражается единицей СИ м 2 ·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 The Avogadro Project. Команда проекта, создав сферу из изотопа кремния 28 Si массой 1 кг и рассчитав количество атомов в ней, предполагает описать килограмм как определённое количество атомов данного изотопа кремния . Однако Международное бюро мер и весов не стало использовать такой вариант определения килограмма .

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

Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, и согласно современному определению составляет приблизительно 1000,0 килограммов .

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 ».

См. также

Примечания

Комментарии

1. Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, (NIST), Национальным метрологическим бюро (англ. National Measurement Office ) Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады , и (англ. ) Австралии.
2. В профессиональной метрологии ускорение, вызванное притяжением Земли, принимается как стандартное ускорение свободного падения (обозначается символом g ), которое определяется как точно 9,80665 м/с². Выражение 1 м/с² означает, что каждую секунду скорость изменяется на 1 метр в секунду.
3. В соответствии с теорией относительности и использовавшейся в первые десятилетия после её создания терминологией, масса тела m возрастает при увеличении скорости его движения согласно формуле m = γm 0 , где m 0 - масса покоящегося тела, а γ - Лоренц-фактор , значение которого определяется отношением скорости тела к скорости света . Этот эффект пренебрежимо мал, когда тела движутся с обычными для земных условий скоростями, которые на много порядков меньше скорости света, и с высокой точностью выполняется γ = 1 . В современной физике используется другая терминология: массой принято называть только не зависящую от скорости движения тела величину m 0 , а зависящей от скорости величине γm 0 специального наименования не присваивают и самостоятельного физического смысла не придают .
4. Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба [со стороной] в десятую часть метра». Оригинальный текст: «Litre , 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. »
5. Современные измерения показывают, что температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, составляет 3,984 °C. Однако учёные конца XVIII века использовали значение 4 °C.
6. Временный эталон килограмма был изготовлен в соответствии с единственным неточным измерением плотности воды, сделанным ранее Антуаном Лавуазье и Рене Жюст Гаюи , которое показало, что один кубический дециметр дистиллированной воды при 0 °C имеет массу в 18 841 гран согласно французской системе мер (англ. Units of measurement in France ), которой скоро предстояло исчезнуть. Более новое и аккуратное измерение, проведённое Лефёвром-Жино и Фабброни показало, что масса кубического дециметра воды при температуре 4 °C составляет 18 827,15 гран

Источники

1. Деньгуб В. М. , Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. - М. : Издательство стандартов, 1990. - С. 61. - 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5 .
2. Unit of mass (kilogram) (англ.) . SI Brochure: The International System of Units (SI) . BIPM . Проверено 11 ноября 2015.
3. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (неопр.) . Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений . Росстандарт . Проверено 28 февраля 2018.
4. Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
5. Verifications (англ.) . Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) . BIPM . Проверено 8 октября 2015.