Kilogram je základní jednotka hmotnosti v mezinárodní soustavě SI. Jeho historie dobře ukazuje proměnu metrologie: od praktického odvození z objemu vody přes kovový prototyp uložený v Sèvres až po současnou definici založenou na pevně stanovené hodnotě Planckovy konstanty.
20. května 1875 byla podepsána zástupci 17 států tzv. metrická konvence. Na jejím základě byl mj. založen Mezinárodní úřad pro váhy a míry v Sèvres u Paříže, nad kterým dohlížel Mezinárodní výbor pro váhy a míry. Metrická konvence vstoupila v platnost 1. 1. 1876. Dohodou stanovený metrický systém měl v té době pouze 2 jednotky: metr a kilogram.
Jak vznikla jednotka kilogram
Původně byl kilogram odvozen právě z metru. Byl chápán jako hmotnost 1 dm3 čisté odvzdušněné vody při 4 °C, tedy při teplotě, při které má voda největší hustotu. Šlo o praktickou definici, která spojovala hmotnost s jednotkou délky a s objemem.
Takové vymezení ale nebylo pro nejpřesnější metrologii dostatečně pohodlné. Hustota vody závisí na teplotě, čistotě, tlaku a způsobu měření. Proto se postupně přešlo k hmotnostním etalonům a později k mezinárodnímu prototypu kilogramu.
Časová osa definice kilogramu
| Rok | Událost | Význam |
|---|---|---|
| 1795 | Ve Francii byl zaveden gram jako hmotnost 1 cm3 vody. | Počátek metrického pojetí jednotek hmotnosti. |
| 1799 | Byl vytvořen archivní kilogram. | Hmotnostní etalon nahradil čistě praktické odvození z vody. |
| 1875 | Byla podepsána Metrická konvence. | Vznikl základ mezinárodní spolupráce v metrologii. |
| 1889 | Byl schválen mezinárodní prototyp kilogramu. | Kilogram byl definován hmotností konkrétního fyzického artefaktu. |
| 2018 | 26. CGPM schválila redefinici soustavy SI. | Základní jednotky byly navázány na pevně stanovené hodnoty fyzikálních konstant. |
| 2019 | Nová definice vstoupila v platnost 20. května 2019. | Kilogram je definován pomocí Planckovy konstanty. |
Prototyp kilogramu
Až do 20. května 2019 byl kilogram určen hmotností mezinárodního prototypu kilogramu, válce ze slitiny platiny a iridia uloženého v Sèvres u Paříže. Byl to poslední artefakt, kterým byla definována některá ze základních jednotek SI.
Mezinárodní prototyp kilogramu (historický definiční artefakt)
Prototyp kilogramu byl vyroben ze slitiny platiny a iridia, protože tato slitina je velmi odolná proti korozi a mechanickému opotřebení. Vedle mezinárodního prototypu existovaly také národní kopie, podle kterých jednotlivé státy udržovaly své hmotnostní etalony.
Proč bylo nutné kilogram redefinovat
Definice založená na jediném předmětu měla zásadní nevýhodu: i velmi pečlivě chráněný kovový válec je stále fyzický artefakt. Může se nepatrně znečistit, očistit, poškrábat nebo jinak změnit. Pro běžné vážení jsou rozdíly v řádu mikrogramů zanedbatelné, ale pro nejpřesnější vědecká a technická měření jsou významné.
Problém prototypu spočíval v tom, že jeho hmotnost se v čase nepatrně měnila (řádově desítky mikrogramů za století), a tak se měnila i samotná definice kilogramu. To byl jeden z hlavních důvodů přechodu na definici prostřednictvím fundamentální Planckovy konstanty.
Definice kilogramu
Platná definice (od 20. května 2019)
- Kilogram
- Kilogram je definován fixací číselné hodnoty Planckovy konstanty h na přesně 6,626 070 15×10-34 J·s, kde J·s se vyjadřuje jako kg·m2·s-1 (26. CGPM, 2018).
Zjednodušeně řečeno: kilogram už není určen hmotností konkrétního kovového válce. Současná definice vychází z toho, že Planckova konstanta má přesně stanovenou hodnotu. Jednotku hmotnosti je proto možné realizovat měřením navázaným na základní fyzikální konstantu, nikoli porovnáním s jediným artefaktem uloženým v trezoru.
Jak se kilogram dnes realizuje
V praxi se nová definice realizuje pomocí Kibblových vah (dříve wattových vah), které porovnávají mechanický a elektrický výkon, nebo metodou XRCD (rentgenová krystalová denzitometrie), při níž se počítají atomy ve vysoce čisté křemíkové kouli. Obě metody umožňují převést definici založenou na fyzikální konstantě do praktického měření hmotnosti.
Předchozí definice (1889–2019)
- Kilogram
- Kilogram se rovnal hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu, který byl uložen v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry v Sèvres u Paříže (3. CGPM, 1901). Prototyp nebyl zničen a nadále slouží jako referenční etalon.
Kilogram v soustavě SI
Kilogram zůstává základní jednotkou hmotnosti v soustavě SI. Změnil se způsob jeho definice, nikoli jeho praktická velikost. Běžné vážení v laboratoři, obchodě nebo domácnosti se redefinicí nezměnilo; změna je důležitá především pro přesnou vědu, průmyslovou metrologii a dlouhodobou stabilitu jednotek.
Souvislosti najdete také na stránkách Redefinice SI 2019, Hmotnost, MKS systém, metrologie v českých zemích a Max Planck.
Časté otázky
Co je kilogram?
Kilogram je základní jednotka hmotnosti v mezinárodní soustavě SI. Používá se jako výchozí jednotka pro mnoho dalších odvozených jednotek, například newton, joule nebo pascal.
Jak byl kilogram definován původně?
Historicky byl kilogram odvozován od hmotnosti určitého objemu vody. Později byl definován hmotností mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v Sèvres u Paříže.
Co byl mezinárodní prototyp kilogramu?
Mezinárodní prototyp kilogramu byl válec ze slitiny platiny a iridia, který do roku 2019 určoval hodnotu kilogramu. Šlo o poslední fyzický artefakt, podle kterého byla definována některá ze základních jednotek SI.
Jak je kilogram definován dnes?
Od 20. května 2019 je kilogram definován fixací číselné hodnoty Planckovy konstanty. Tato definice je stabilnější, protože není závislá na jednom konkrétním předmětu.
Proč se kilogram redefinoval?
Hlavním důvodem byla snaha odstranit závislost jednotky hmotnosti na fyzickém prototypu. Definice založená na fyzikální konstantě je dlouhodobě stabilnější a lépe reprodukovatelná.