Kilogram

Přibližná podoba bývalého mezinárodního prototypu kilogramu

Kilogram(hovorověkilo) je základníjednotkahmotnosti,značka jekg.Odpovídá přibližně hmotnosti 1litruvody.Podlesoustavy SIje kilogram definován pomocímetruasekundyzafixováním hodnotyPlanckovy konstantyna přesné hodnotě 6,62607015⋅10⁻³⁴kg⋅m²⋅s⁻¹.

Do 19. května 2019 byl kilogram definován jako hmotnost mezinárodníhoprototypukilogramu uloženého uMezinárodního úřadu pro míry a váhyvSèvres(Francie). První definice kilogramu pocházela z roku 1875. Tomu předcházelo pověření vědců v dobách králeLudvíka XVI.,aby stanovili jednotky pomocídesítkové soustavy.

Název je odvozen zlatinskéhokořenegrámma,pluspředpona soustavy SIkilo.Přestože označení jednotky již obsahuje předponu, jedná se o základní jednotku a naopakgramje považován za díl této základní jednotky. Kilogram je jedinou takovou jednotkou v soustavě SI.

Definice

Kilogram, značka „kg “, je jednotkahmotnostiv SI. Je definována fixací číselné hodnotyPlanckovy konstantyh,aby byla rovna 6,626 070 15×10⁻³⁴,je-li vyjádřena jednotkouJs, rovnou kg m²s⁻¹,kde metr a sekunda jsou definovány pomocíca Δν_Cs.

Historie

Prototyp kilogramu

Standardní kilogram hmotnosti,
kopie č. 4, uložený v Národním institutu pro normalizaci a technologie v USA. Zobrazen jeden ze dvou kusů, které slouží jako oficiální standard pro definování všech jednotek vah a hmotnosti ve Spojených státech. Jedná se o jednu ze 40 kopií, které byly vyrobeny ve Francii v roce 1884. Tento kilogram se liší (lišil) od hmotnosti prototypu kilogramu o 75 mikrogramů.
(foto: National Geographic - leden 1915)

Mezinárodní prototyp kilogramu bylváleco výšce i průměru 39mmvyrobený zeslitiny90 %platinya 10 %iridia.Podle něj byly vyrobeny co možná identické kopie, které uchovávají příslušné instituty v různých státech. Těchto kopií bylo vyrobeno celkem 80. VČeskuuchovává tento státníetalon(kopie č. 67)Český metrologický institut.Materiál pro zhotovení prototypu byl volen podle následujících kritérií:

• odolnost protikorozi,
• vysokáhustota(omezení vlivuvztlakupři měření ve vzduchu),
• dobráelektrická vodivost(eliminace vlivustatické elektřiny),
• nízkámagnetická vodivost–diamagnetismus(omezení nežádoucích magnetických vlivů – přitažlivosti),
• tepelná stabilita,
• tvrdost(odolnost proti otěru).

Historická definice z roku 1901

Podle rozhodnutí 3Generální konference pro míry a váhyz roku 1901 byl kilogram definován jako jednotka hmotnosti takto:

• S přihlédnutím k rozhodnutíMezinárodního výboru pro míry a váhyze dne 15. října 1887, podle kterého je kilogram definován jako jednotka hmotnosti,
• s přihlédnutím k rozhodnutí obsaženém ve schválení prototypů metrického systému, jednoznačně přijatém Generální konferencí pro míry a váhy dne 26. září 1889
• a vzhledem k nutnosti ukončit nejednoznačnosti, které v současné praxi stále existují ohledně významu slovaváha,které se někdy používá prohmotnosta někdy promechanickou sílu,

Konference vyhlašuje, že:

1. Kilogram je jednotka hmotnosti; je roven hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.
2. Slovováhaoznačuje kvantitu stejné povahy jakosíla:váha tělesa je součinem jeho hmotnosti atíhového zrychlení;jmenovitě normální váha tělesa je součin jeho hmotnosti a normálního tíhového zrychlení.
3. Hodnota normálního tíhového zrychlení přijatá Mezinárodní službou pro míry a váhy je 980,665 cm/s².

CGPM,Declaration on the unit of mass and on the definition of weight; conventional value of g_n

Problémy definice

Kilogram byl poslední jednotka SI, která byla definovaná pomocí prototypu, a ne fyzikální definicí.Kilogram byl zvolen tak, aby odpovídal hmotnosti 1litruvodyprosté vzduchu při teplotě, při které má voda maximální hustotu (3,98°C), při normálnímatmosférickém tlaku(760mm Hg). Tato původní definice však měla závažné nedostatky, obsahuje totiž kruhovou závislost: jednotka hmotnosti se zde definuje s pomocí tlaku, který je ovšem definován prostřednictvím hmotnosti. Kvůli těmto problémům byl tedy kilogram v roce1889definován na základě prototypu, který byl ovšem vyroben tak, aby kilogram přibližně vyhovoval původní definici. Při výrobě původního standardu však došlo k malé odchylce, která způsobila, že 1 kilogram vody nemá objem přesně 1 litr, ale 1,000 028 l. Definice prototypem měla i další problémy.

Změna prototypu

Z nejasných příčin za posledních 100 let prototyp ztratil přibližně 50 mikrogramů. Jelikož kilogram byl definován jako aktuální hmotnost prototypu, změnila se tím i definovaná velikost kilogramu a znamená to, že objekt, který měl před 100 lety hmotnost 1 000 kg a vůbec se od té doby nezměnil, má dnes hmotnost cca 1 000,000 05 kg.

Jednou z příčin změny hmotnosti mohla být ztrátaatomůvodíku,které se do slitiny dostaly jako parazitní příměsi při její přípravě. Další, i když dovozovanou příčinou byl lidský faktor, kdy při opakovaném, i jemném, čištění prototypu nebo při jeho používání (vážení) v průběhu 100 let byl prototyp prostě odřen, a tím mírně ztratil na hmotnosti. Toto vysvětlení je však málo pravděpodobné, protože pozorovaná ztráta hmotnosti narůstá v závislosti na čase, nikoli v závislosti na množství operací (čištění, měření atd.) s prototypem prováděných. Přitom není úplně jasné, jestli se jedná o skutečnou ztrátu hmotnosti právě tohoto hlavního mezinárodního prototypu; situace může být i opačná, kdy z neznámé příčiny narostla hmotnost ostatních národních prototypů (zvažuje se např. vázání atmosférickértutina platinu). Do přesnosti měření vstupuje i přesnost tzv. komparačních vah (prototypy nelze vážit absolutně).

Ztráta prototypu

U definice jediným prototypem hrozila teoretická možnost, že by tento prototyp mohl být ztracen nebo zničen. Nová, ryze fyzikální definice, poskytla možnost jej kdykoli a kdekoli znovu vyrobit.

Nemožnost sdělení definice

Definici prototypem nelze předat na dálku, např. v hypotetické situaci, kdy by bylo potřeba kilogram popsat někomu, kdo se nemůže dostat k prototypu (například obyvatelé vzdálené planety). Čistě fyzikální definici je možné prostě odeslat jako zprávu a o realizaci prototypu (případně konverzi na své jednotky) se již adresát postará sám.

Nové fyzikální definice

Kromě výše uvedených problémů byla i z principiálních důvodů definice prototypem považována za neuspokojivou a hledala se definice založená na neměnných vlastnostech přírody. Problematikou definice jednotky se v lednu 2011 zabývala i mezinárodní konference vědců zMezinárodního úřadu pro míry a váhy,konaná v budověKrálovské společnostivLondýněs úkolem stanovit směry v definování jednotky kilogramu. Generální konference pro míry a váhy se nakonec přiklonila k definici založené na Planckově konstantě.

Planckova konstanta

Pevným stanovenímPlanckovy konstantyby s pomocíkvantové fyzikyarelativistickéhovztahu mezienergiíahmotností$E=hf=mc^{2}$bylo možno definovat jednotku hmotnosti. Možnou realizací jsouwattové váhy(anglickywatt balance), které porovnávají tíhu tělesa smagnetickou silou.Aby bylo možno tento postup použít, je potřeba dosáhnout relativní nejistoty měření asi 1×10⁻⁸,v současné době se dosahuje nejistoty asi 5,2×10⁻⁸.

Generální konference pro míry a váhyschválila změnu definice založené na Planckově konstantě na svém 26. zasedání veVersailles16. listopadu 2018.

Nová definice kilogramu

Podrobnější informace naleznete v článkuNové definice SI.

Na 24. Všeobecné konferenci pro váhy a míry, která se konala 17.–21. října 2011, byl připraven návrh budoucí revize soustavy SI, ve kterém je definice kilogramu odvozena z Planckovy konstanty. Jelikož však tehdy nebyly splněny požadavky na přesnost jejího měření, nebyla tato revize na tomto zasedání přijata.K přijetí této definice založené na Planckově konstantě došlo až po splnění všech klíčových podmínek požadovaných pro zavedení.Generální konference pro míry a váhyschválila změnu definice na svém 26. zasedání veVersailles16. listopadu 2018.Změna vstoupila v platnost 20. května 2019, tedy symbolicky veSvětový den metrologie,který je výročím přijetíMetrické konvence.

Násobné jednotky

Předpony lze dávat k základu gram (nanogram, gigagram), nikoli k základnímu kilogramu (tedy nikoli milikilogram, megakilogram). Z praktických důvodů se však užívá také kilotuna a megatuna, viz dále.

Kromě kilogramu se často používají následující jednotky:

Nanogram

Nanogram (značkang) je jedna tisícina mikrogramu.

Mikrogram

Mikrogram (značkaμg) je tisícina miligramu (miliontina gramu, tzn. miliardtina kilogramu). V běžném životě je to příliš malé množství, aby mělo nějaký praktický význam. Běžně se však používá při sledování výskytu superstopových množství látek v přírodě (například některé vzácné prvky se v mořské vodě vyskytují v řádu koncentrací μg/l,doporučená denní dávkavitaminu B12je 2,5 μg) nebo vjaderné fyzicepři udávání obsahu krátkodobě žijícíchizotopů(μg/kg nebo dokonce μg/t).

Miligram

Miligram (značkamg) je tisícina gramu, tzn. miliontina kilogramu. Používá se nejčastěji vchemiičilékařství,například obsahy běžných kovových prvků jako jeměďnebozinekse v živočišných a rostlinných tkáních pohybují v řádu jednotek až stovekmg/kg.Obsahyalkalických kovůnebo typických aniontů jakouhličitanyse v minerálních vodách obvykle uvádějí vmg/l.

Gram

Gram (značkag) je definován jako jedna tisícina kilogramu. Dnes se často využívá jako jednotka pro vážení přísad při vaření a nákupu potravin. Cena pro potraviny prodávané v menším množství než jeden kilogram bývá běžně uváděna jako cena za 100 g. Také údaje o obsahu a složení jednotlivých potravin bývají vztahovány k hmotnosti 100 g a tudíž odpovídají procentům hmotnosti. Gram je základní jednotkou hmotnosti ve starší soustavěCGS.

Dekagram

Dekagram (oficiální značka vsoustavě SIjedag,ale v běžném životě se častěji používá zastaralé označenídkg) je 10 gramů, tedy jedna setina kilogramu. Je to jednotka používaná převážně v maloobchodě s potravinami. Čech mluvícíhovorovou češtinoukupující množství menší než jeden kilogram většinou definuje požadované množství v dekagramech (hovorovědeka:např.20 deka šunky). Přestože jednotková cena se v maloobchodě zpravidla udává na 100 gramů nebo na kilogram, český zákazník kupuje nadeka.

Metrický cent

Hovorověmetrák,odpovídá 100 kg. Značí seq.

Podrobnější informace naleznete v článkuMetrický cent.

Tuna

Tuna (značkat,někdyMg) je jednotka hmotnosti, která nepatří dosoustavy SI,avšak může se používat spolu s jednotkami SI. Odpovídá 1000 kilogramům a znamená totéž comegagram(Mg,10⁶g. Pozor! neplést smg,což jemiligram,10⁻³g). Vyšší řády hmotností se často vztahují k tuně (kilotuna, megatuna).

Jednotkatunase používá např. vdopravním značenípro vyjadřování povolené hmotnosti vozidla.

Kilotuna

Kilotuna (značkakt,dle SIgigagram,Gg,10⁹g) je tisíc tun, čili milion kilogramů.

Megatuna

Megatuna (značkaMt,dle prakticky nepoužívané definice SIteragram,Tg,10¹²g) je milion tun, čili miliarda kilogramů. Vekvivalentech kilotun a megatun TNTse obvykle udává energie uvolněná výbuchemjaderné zbraně.Nejsilnější známá jaderná zbraň, sovětskáCar-bomba,měla sílu okolo 57 Mt TNT.[1]

Gigatuna

Gigatuna (značkaGt,dle SIpetagram,Pg,10¹⁵g) je miliarda tun, čili bilion (milion milionů) kilogramů. Používá se v tématech planetárního měřítka (geologie;klimatologie;biogeochemické cykly-voda,kyslík,uhlík,dusík,síry,fosfora další;astronomickéjevy, např. sílaimpaktů).

Instituce

Systémem měření a váhami se zabývají následující mezinárodní instituce:

• BIPM(Bureau International des Poids et Mesures) –Mezinárodní úřad pro míry a váhy;sídlí v Sèvres u Paříže.
• CGPM(Conférence Générale des Poids et Mesures) –Generální konference pro míry a váhy
• CIPM(Comité International des Poids et Mesures) –Mezinárodní výbor pro míry a váhy

Odkazy

Literatura

• BUREAU INTERNATIONAL DES POIDS ET MEASURES: LE NETTOYAGE-LAVAGE DES PROTOTYPES DU KILLOGRAME AU BIMP (1990)

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématukilogramnaWikimedia Commons
• Slovníkové heslokilogramve Wikislovníku
• Český státní etalon hmotnosti v ČMI
• Martin Žáček,Aldebaran bulletin28/2008:Nová definice kilogramu
• SI jednotky
• Mezinárodní prototyp kilogramu
• National Institute of Standards and Technology (NIST):NIST Improves Accuracy of ‘Watt Balance’ Method for Defining the KilogramArchivováno2. 7. 2008 naWayback Machine.
• The UK’s National Physical Laboratory (NPL):An overview of the problems with an artifact-based kilogram
• NPL:Avogadro Project
• NPL:NPL watt balance
• Metrology in France:Watt balanceArchivováno27. 5. 2008 naWayback Machine.
• Australian National Measurement Institute:Redefining the kilogram through the Avogadro constant
• International Bureau of Weights and Measures (BIPM):Home page
• NZZ Folio:What a kilogram really weighs
• NPL:What are the differences between mass, weight, force and load?
• BBC:Getting the measure of a kilogram
• NPR:This Kilogram Has A Weight-Loss Problem,an interview withNational Institute of Standards and Technologyphysicist Richard Steiner
• Nature:Elemental shift for kilo,article about the silicone-28 sphere
• Tak nám vezmou pařížský kilogram. A mol, ampér i kelvin,technet.cz, Matouš Lázňovský, 30. listopadu 2011

Externí obrázky

• [2]The IPK in three nested bell jars
• [3]K20, the US National Prototype Kilogram
• [4]Steam cleaning a 1 kg prototype before a mass comparison
• [5]The IPK and its six sister copies in their vault
• [6]Archivováno8. 9. 2011 naWayback Machine.Silicon sphere for the Avogadro Project
• [7]The NPL’s Watt Balance project
• [8]Rueprecht Balance, an Austrian-made precision balance, was used by the NIST from 1945 until 1960
• [9]The BIPM’s modern precision balance featuring a standard deviation of one ten-billionth of a kilogram (0.1 µg)
• [10]Mettler HK1000 balance, featuring 1 µg resolution and a 4 kg maximum mass. Also used by NIST and Sandia National Laboratories’ Primary Standards Laboratory
• [11]FG 5 absolute gravimeter

Externí odkazy

• Slovníkové heslokilogramve Wikislovníku

Autoritní data	GND:4163779-3 LCCN:sh2007003156 NLI:987007556931505171