千克

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圖為國際千克原器的電腦圖像。國際千克原器就是千克。旁邊是一把以英寸為單位的間尺。國際千克原器以鉑銥合金製成，現存放於法國巴黎郊區的國際計量局（BIPM）。跟其他原器一樣，國際千克原器的邊緣上各有一道四角凹槽，作用是將腐蝕最小化（雖然圖中只能看見當中的三個角）。其他跟千克相關的圖片請見下面的外部連結

千克，又作公斤，(符号kg或㎏)为国际单位制中量度質量的基本單位。一千克的定義就是國際千克原器的質量，^[1]，幾乎與一公升的水等重。它是唯一一個有國際單位制詞頭的基本單位。也是唯一一個仍然使用人工製品作定義的國際單位（其他單位都用基礎物理特性作定義，以便於在不同的實驗室內複製）。

在日常用語中，物體的質量（單位為千克）很多時會被說成它的重量，儘管科學上“重量”一詞指的是物體所受的重力（單位為牛頓）。同樣地，英制單位中量度體重的磅是一個重量單位，而量度力的單位則是磅力。一磅的定義是0.453 592 37 kg整，^[2]所以一千克約等於2.2046磅。

很多國際單位的定義都與千克掛鈎，因此其穩定性是非常重要的。在發現國際千克原器的質量會因時間改變後，國際度量衡委員會（CIPM）建議在2005年以自然的基本常數重新為千克下定義：^[3]預計2011年前都不會有最後決定。^[4]

[编辑] 質量的性質

千克是質量的單位，而質量就相當於日常說的一樣東西有多“重”。然而，質量實際上是一個帶“慣性”的性質；也就是說，一物體會在無外力的情況下傾向於保持既有的速度。當一質量為一千克的物體在一牛頓的力作用下，會以每秒平方一米的加速度（約相等於地球重力加速度的十分之一）加速。

物質的重量完全隨本地的重力強度而定，而質量則不變（設該質量並非以相對論性速度相對於觀察者運動）。相應地，在微重力下的宇航員不需任何力氣就能舉起太空艙內的物體；因為物體“沒有重量”。然而，物體在微重力下仍保有其質量，宇航員需使出十倍的力才能把十倍質量的物體以相同的加速度加速。

[编辑] 歷史

[编辑] 早期定義

1795年4月7日，克在法國被規定為相等於“容量相等於邊長為百分之一米的立方體的水於冰熔溫度時的絕對重量”。^[5]由於商貿一般涉及的質量遠比一克大，又由於以水為標準的質量既不方便又不穩定，所以為了商業法規必需製造出質量水定義的實化儀。於是，人們製造了一個臨時的質量標準：一塊金屬人工製品，質量為克的一千倍——千克。

同時，準確判定一立方分米（一公升^{[註 1]}）的水質量的工作也展開了。^[5]雖然千克定義規定的水溫0 °C是非常穩定的溫度點，但是科學家們經過多年的研究決定於1799年在定義中改用水最穩定的密度點，也就是水達到最大密度時的溫度，當時的量度結果為4 °C^{[註 2][6]}他們斷定在最大密度時一立方分米的水相等於4年前臨時千克標準目標質量的99.9265%。^{[註 3][7]}同年，也就是1799年，人們製造出一塊純白金的原器，其目標就是原器質量會相等於（當時科學上許可地盡量接近）4°C時一立方分米的水。該原器於六月被呈上國家檔案局，並於1799年12月被正式定為“檔案局千克”（Kilogramme des Archives），而一千克的定義就相等於其質量。這個標準維持了九十年。

[编辑] 國際千克原器

自1889年起，國際單位制將千克的大小定義為跟國際千克原器（在專業度量衡學中很多時候會把它縮寫為“IPK”）的質量相等，^[1]。IPK由一種鉑合金製成，這種合金叫“Pt‑10Ir”，即90%鉑及10%銥（按質量比）；然後把這種合金用機器造成39.17mm的直立圓柱體（高度=直徑），這樣做可以把表面積減至最低。^[8]比起純鉑的檔案局千克，新加進去的10%銥改善了硬度，但同時保留鉑的許多長處：對氧化的高度抵抗性、極高密度、良好的導電與導熱性以及低磁化率。IPK與其六件姐妹複製品都被存放在國際計量局（BIPM）位於巴黎郊區的總部下層的儲藏室內，有環境監控的保險箱裏。（見下面的外部圖片）開啓保險箱需要三條被分開保管的鑰匙。IPK的正式複製品可供其他國家作她們的全國標準之用。這些複製品大概每50年就要跟IPK比對一次。

IPK是1879年製造的三個圓柱體之一。1883年，IPK的質量被發現跟八十四年前的檔案局千克的一致，並在1899年的第一屆國際度量衡大會中被正式指定為千克。^[8]維也納標準海水（有嚴格同位素控制的純淨水）密度的現代測量指出一立方分米的水，在最大密度時（3.984°C）比一千克只差25.05ppm。^[9]這個微小的差別，與IPK跟檔案局千克質量一致這個事實，說明了超過209年前科學家們在量度水密度及製造檔案局千克的技藝是相當高超的。

[编辑] 國際千克原器的穩定性

圖為各原器隨時間的質量變動，其中K21–K40為各國的國家原器，K8(41)^{[註 4]}與K32為IPK的姐妹複製品。所有質量變動都是相對於IPK的。1889年的原值偏移量都被相對於IPK地零化。^[10]以上的量度都是相對的；並沒有可以判定以上哪個原器是相對於大自然最穩定的歷史數據。很有可能地，在這100年間所有原器的質量都增加了，而K21、K35、K40及IPK只是被其他的增加得較少而已。

定義來上說，IPK質量的量度值誤差為整零；IPK就是千克。然而，IPK因時間而成的質量變量，可經由比對世界各地正式複製品質量判定出來，這個過程被稱為“定期核準”。例如，美國擁有四個90%鉑/10%銥的千克標準儀，其中K4和K20是1884年製的原批中四十個複製品的兩個。^{[註 5]}K20被指定為美國質量的國家首席標準。這兩個原器，跟其他國家的一樣，都要定期送回BIPM作質量核準。^{[註 6]}

需要指出的是，沒有一個複製品的質量準確地等於IPK；它們的質量經過校準，得出的偏差值會被存檔。比方說，美國的國家首席標準K20，1889年最初的正式質量為1 kg − 39 µg；也就是說K20比IPK輕39 µg。1999年的上一次核準指出其質量準確地等於1889年的原值。跟這種小差異相當不同的是，美國的檢核標準，K4的質量持續地相對於IPK下降——這都是有原因的。檢核標準比首席標準要常用得多，所以很容易被刮及受到各種磨損。K4最初送抵時的正式質量為1 kg − 75 µg，但到1989年經正式校準後質量為1 kg − 106 µg，而十年後則是1 kg − 116 µg。在這110年間，K4相對於IPK輕了41 µg。^[11]

除檢核標準可能受到的一般磨損外，就算被小心收藏的國家原器也會因不同的原因而產生相對於IPK的質量變動，當中原因有已知的，也有未知的。由於IPK與它的複製品都被存放於空氣中（儘管有兩層或以上的鐘罩），它們還是會經由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質量。因此會用一種稱為“BIPM清潔法”的手續來清潔它們，這種方法是BIPM於1939至1946年間開發的，當中手續有用沾有等量乙醚和乙醇的油鞣革輕輕擦拭，用蒸餾過兩次的水進行蒸氣清潔，以及讓原器在核準前先放7至10天。^{[註 7]}

[编辑] 千克的重要性

[编辑] 已提出的未來定義

[编辑] 原子計數法

[编辑] 碳-12

儘管這方法不會有一個實化儀，但定義將會準確地以一定量的碳-12原子定出千克的大小。碳-12（¹²C）是碳的一種同位素。摩爾現時的定義是“相等於12克碳-12原子數量的實體（像原子或分子那樣的基本粒子）數量”。因此按現時的定義，¹⁰⁰⁰⁄₁₂ （83⅓）摩爾的¹²C原子的質量就是一千克整。一摩爾所含的原子數（也就是一個叫阿伏加德羅常數的量）是由實驗判定的，現時的數值為每摩爾6.02214179(30)×10²³個實體（CODATA，2006年）。這個千克的新定義建議把阿伏加德羅常數定在6.02214179×10²³整，而千克就被定義為“相等與¹⁰⁰⁰⁄₁₂ · 6.02214179×10²³個¹²C原子的質量”。

[编辑] 阿伏加德羅計劃

[编辑] 離子累積

[编辑] 電子法

[编辑] 瓦特秤

[编辑] 安培力

[编辑] 单位换算

1 千克 = 0.001 公吨

1 千克 = 1,000 克

1 千克 = 1,000,000 毫克

1 千克 = 1,000,000,000 微克

[编辑] 術語彙編

[编辑] 另見

[编辑] 註解

1. ^ The same decree also defined the liter as “the measure of volume, both for liquid and solids, for which the displacement would be that of a cube [with sides measuring] one-tenth of a meter.” Original text: “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.”
2. ^ Modern measurements show the temperature at which water reaches maximum density is 3.984 °C. However, the scientists at the close of the 18th century concluded that the temperature was 4 °C.
3. ^ The provisional kilogram standard had been fabricated in accordance with a single, inaccurate measurement of the density of water made earlier by Antoine Lavoisier and René Just Haüy, which showed that one cubic decimeter of distilled water at 0 °C had a mass of 18,841 grains in France’s soon-to-be-obsoleted poids de marc system. The newer, highly accurate measurements by Lefèvre‑Gineau and Fabbroni concluded that the mass of a cubic decimeter of water at the new temperature of 4 °C—a condition at which water is denser—was actually less massive, at 18,827.15 grains, than the earlier inaccurate value assumed for 0 °C water.

   France’s metric system had been championed by Charles Maurice de Talleyrand‑Périgord. On 30 March 1791, four days after Talleyrand forwarded a specific proposal on how to proceed with the project, the French government ordered a committee known as the Academy to commence work on accurately determining the magnitude of the base units of the new metric system. The Academy divided the task among five commissions. The commission charged with determining the mass of a cubic decimeter of water originally comprised Lavoisier and Haüy but their work was finished by Louis Lefèvre‑Gineau and Giovanni Fabbroni.

   Neither Lavoisier nor Haüy can be blamed for participating in an initial—and inaccurate—measurement and for leaving the final work to Lefèvre‑Gineau and Fabbroni to finish in 1799. As a member of the Ferme générale, Lavoisier was also one of France’s 28 tax collectors. He was consequently convicted of treason during the waning days of the Reign of Terror period of the French Revolution and beheaded on 8 May 1794. Lavoisier’s partner, Haüy, was also thrown into prison and was himself at risk of going to the guillotine but his life was spared after a renown French naturalist interceded.

4. ^ 8(41)號原器被偶然地標成了41號，但它的配件都帶有正確的編號8。由於並沒有被標為8號的原器，這個原器就被稱為8(41)號
5. ^ The other two Pt‑10Ir standards owned by the U.S. are K85, which is used for watt balance experiments (see Watt balance, above), and K650, which was an early attempt with a new series of prototypes (K64–K80) that were diamond-turned directly to a finish mass. K650 has a density of Template:Val, which is normal for Pt‑10Ir alloy. However, as its finished mass was roughly 2000 µg less than one kilogram, it is unsuitable for use as a national prototype and is instead known as a mass “standard”—not a “prototype.”. However, it serves well for special duties, such as a stability reference when K4 and K20 are transported to the BIPM and back. There are three other diamond-turned, Pt‑10Ir replicas that are not formally considered to be “prototypes”: K651, K690, and K691.
6. ^ 運輸原器需要極其小心。1984年，原器K4和K20就被人手帶進商業客機的乘客艙。
7. ^ Before the BIPM’s published report in 1994 detailing the relative change in mass of the prototypes, different standard bodies used different techniques to clean their prototypes. The NIST’s practice before then was to soak and rinse its two prototypes first in benzene, then in ethanol, and to then clean them with a jet of bi-distilled water steam.

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[编辑] 外部連結