2.6.2. Единица массы – килограмм

В системе СИ масса является основной физической величиной. Единица массы в СИ – килограмм. Килограмм есть масса эталонной гири из сплава иридия с платиной, хранящейся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов.

«Килограмм – единица массы – представлен массой международного прототипа килограмма» (ГОСТ 9867 – 61). Такое определение единицы массы было дано III Генеральной конференцией по мерам и весам в 1961 г.

При установлении метрической системы мер единицу массы было предложено вывести из единицы длины, приняв за нее массу воды, содержащуюся в кубе, размеры которого составляют определенную долю этой единицы длины. За единицу массы была принята масса одного кубического дециметра дистиллированной воды при температуре +4°С, при которой вода имеет наибольшую плотность.

На основе такого определения был изготовлен образец килограмма – платиново-иридиевый цилиндр с высотой, равной своему диаметру 39 мм. Этот образец, как и образец метра, были переданы на хранение в Национальный архив Франции и с тех пор носят название архивного метра и архивного килограмма. В 1799 году они были специальным законом признаны окончательными прототипами метра и килограмма.

Более поздние и более точные измерения показали, что масса 1 дм³ воды на 0,028 г меньше архивного прототипа килограмма и что взвешивание платиново-иридиевого цилиндра можно произвести примерно в тысячу раз точнее, чем определить массу кубического дециметра воды.

В связи с этим Российская Академия наук поставила вопрос о признании основами метрической системы мер архивных метра и килограмма.

Поскольку архивные метр и килограмм имели ряд недостатков, то было предложено изготовить новые их копии, которые, будучи им равны, позволяли бы выполнять с их помощью более точные измерения и как можно меньше изменялись бы во времени.

По решению Международной комиссии по эталонам метрической системы (1872 г.) из платиново-иридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir) были изготовлены эталоны килограмма. Один из них, масса которого наиболее точно соответствовала массе архивного килограмма, был принят за Международный прототип. Сличение с ним национальных эталонов килограмма в настоящее время производится с относительной погрешностью 2·10^-9. Такая точность более и менее удовлетворяет требованиям современной науки и техники.

Однако принятая единица массы метрической системы имеет ряд недостатков, неизбежных при таком искусственном ее определении.

Во-первых, Международный прототип килограмма подвержен разрушению, что может вызвать потерю точности не только при измерениях массы, но и при измерениях других величин, в определение которых входит масса.

Во-вторых, он невоспроизводим, что является недостатком как при его разрушении, так и при измерениях масс с наивысшей точностью, поскольку такие измерения можно выполнить только при наличии прототипа.

В-третьих, Международный прототип килограмма подвержен механическому износу даже при самом тщательном и осторожном обращении с ним. Кроме того, платиноиридий, из которого он изготовлен, как и любое вещество, испаряется. Небольшие потери в массе прототипа в результате этих причин в настоящее время еще не обнаружены, но они, несомненно, существуют и со временем будут вызывать систематические погрешности не только при измерении массы, но и при измерениях других величин, в определении которых входит масса.

В дальнейшем может возникнуть потребность производить сличение эталонов с более высокой точностью. Поэтому ведутся работы по изысканию методов сравнения эталонов килограмма с атомными константами, например, с массой протона. Эта задача очень трудная и потребует для своего решения значительного времени. К сожалению, в настоящее время точность измерения атомных масс уступает точности измерения путем взвешивания.

Государственный первичный эталон килограмма РФ хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В состав Государственного первичного эталона РФ входят:

а) копия международного прототипа килограмма – платиново-иридиевый прототип № 12, представляющий собой гирю в виде цилиндра с закругленными ребрами диаметром 39 мм и высотой 39 мм;

б) эталонные весы № 1 и № 2 на 1 кг с дистанционным управлением для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам.

Национальные эталоны массы один раз в 25 лет сличают между собой и с Международным прототипом килограмма.

Примечание. Международный Комитет Мер и Весов на 94-й Конференции в октябре 2005 года принял Рекомендацию по подготовительным шагам к переопределению четырех основных единиц СИ – килограмма, ампера, кельвина и моля, чтобы эти единицы были связаны со значениями фундаментальных физических констант, соответственно, постоянной Планка h, элементарного заряда е, постоянной Больцмана k и постоянной Авогадро N_A.