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公斤

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公斤
NIST-4 Kibble balance.jpg
國家標準暨技術研究院基布爾秤,這類儀器將能以普朗克常數為基礎的公斤新定義來測量物體的質量
單位資訊
單位制國際單位制基本單位
物理量名稱質量
符號kg 
單位換算
1 kg相當於
   市制單位   = 2 市斤
   台制單位   ≈ 1.667 台斤
   美國慣用單位   ≈ 2.205
   自然單位   ≈ 4.59×107 普朗克質量
正式定義
定義公斤,符號為kg,為質量的國際單位制單位,定義為對應於普朗克常數固定值6.62607015×10−34 J⋅s,等同於kg⋅m2⋅s−1之值,其中秒以ΔνCs定義,米以c定義。

公斤(英語:kilogram,單位符號kg),又稱千克國際單位制質量基本單位。在國際單位制的七個基本單位中,公斤是唯一一個帶有詞頭的基本單位。

公斤定義爲:能使普朗克常數以kg⋅m2⋅s−1爲單位時,其數值精確等於6.62607015×10−34之單位

在2019年5月20日之前,公斤仍是國際單位制基本單位中唯一仍使用實物進行定義的單位,即被定義為國際公斤原器的質量[1]。現行公斤的定義則是在2018年11月16日的第26屆國際計量大會通過[2]。現行定義將以往透過測量得知的普朗克常量定為一標準值,使質量單位(公斤)和長度單位()、時間單位()關聯,即透過普朗克-愛因斯坦關係式將光子的能量與它的頻率聯繫起來。

質量的性質

A kitchen scale with one scalepans and a dial to indicate the weight
測量重量:利用重力吸引待測物,使彈簧收縮的量來量測
A beam balance with two scalepans and a selection of weights.
測量質量:設法使待測物上的重力和砝碼上的重力平衡

公斤是質量的單位,而質量就相當於日常說的一樣東西有多「重」。然而根據牛頓第二運動定律,質量實際上是一個與有關「慣性」的性質;也就是說,抵抗外力維持現狀的程度,質量越大,就越難使其加速。當一質量為一公斤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。

歷史

早期定義

法國在1795年4月7日頒佈了關於度量衡的法律,其中規定為「在冰融化時的溫度下,體積等於邊長為一厘米(1/100米)的立方體的水的絕對重量」。[3]

由於克是一個非常小的單位,日常的商貿生活中所涉及的物品質量遠大於克;同時,基於特定體積的水定義的質量也難以方便與準確的復現,法律的實施需要一個基於該定義的實物基準。於是,人們專門製造了一件質量1000克的金屬器臨時作為公斤基準。

與此同時,法國政府組織科學家開始了精確測定一立方分米(一公升[註 1] )水的質量的工作。[3]雖然,先前法律中對公斤定義選取的特定體積水的溫度點為0 ℃,這一溫度點非常穩定。

但是經過數年的研究,在1799年,法國化學家路易·勒費夫爾-紀諾法語Louis Lefèvre-Gineau和意大利博物學家喬萬尼·法布羅尼意大利語Giovanni Fabbroni決定修改定義,取水處於最穩定的密度點時的體積(即水在密度最大時的體積),而當時測定水的密度在4 ℃時達到最大。[註 2][4]最終,他們的結論是一立方分米密度最大時的水的質量為4年前製造的公斤基準器質量的99.9265%。[註 3] [5] 同年,人們以儘可能的接近(在當時的科技條件的許可的情況下)4 ℃時一立方分米水的質量為目標,製作了一件純鉑的公斤原器。該原器於六月被送交法國檔案局,並於1799年12月被正式確認為「檔案局公斤」(Kilogramme des Archives),公斤被定義為等於它的質量。該基準器使用了九十年。

國際公斤原器

十九世紀七十年代,法國政府贊助了一系列的會議。人們在這些會議上意識到應該使用鉑銥合金而不是純鉑來製作公斤原器。1875年5月20日,17個國家在法國巴黎簽署米制公約,建立公制體系(這一體系以後發展為國際單位制體系)。該公約產生了國際計量大會國際計量委員會國際計量局三個組織。在這之後人們製造了一批使用鉑銥合金的公斤標準砝碼,其形狀是高度和直徑均為39.17mm的直立圓柱體。1889年,依照公約召開了第一次國際計量大會,批准將其中最接近檔案局公斤的一件作為國際公斤原器。不過,直到1901年的第三次國際計量大會上才將國際公斤原器的質量定義為公斤。國際公斤原器於是作為公斤的標準砝碼一直使用到今天。一公斤標準物被保存於一口鐘形罩內,存放在國際計量局(該局位於巴黎附近的塞弗爾)。標準砝碼一直被安置在法國(巴黎塞夫爾)一座城堡中、一個防止它與外界接觸的保險箱裏 [6]

普朗克常數

在2011年,國際計量大會以全體55位代表一致贊成的票數,同意根據一個物理常數來重新定義公斤。2018年11月16日國際計量大會全體會議通過決議,改用以普朗克常數為基礎的公式作為「公斤」的新定義[7][8]:將普朗克常數定為6.626 070 15 × 10-34 kg•m2•s-1,以此讓恆定的自然常數和人為單位相連接 [9]。新定義於2019年5月20日生效[10]

公斤的重要性

國際單位制中基本單位的相依性。許多國際單位制中單位的大小,包括大部份電學和光度相關的單位,都高度的和公斤的穩定性有關。
國際單位制中基本單位的相依性。許多國際單位制中單位的大小,包括大部份電學和光度相關的單位,都高度的和公斤的穩定性有關。

作為國際單位制中的七個基本單位之一,公斤的穩定性非常重要。例如力的單位牛頓就是定義為使一公斤的物體有1m/s²的加速度,若國際公斤原器的質量有輕微的變動,牛頓的大小也會有相同程度的變動。而壓強的單位帕斯卡的定義有用到牛頓,因此也會隨之變化。這樣的連鎖反應會影響許多的單位,例如能量單位焦耳的定義是用以一牛頓的力使物體位移一米所作的功,而功率單位瓦特的定義則是單位時間所作的力,都會受到影響。電流單位安培的定義也和力學單位牛頓有關,因此公斤的變化會影響安培的大小.也會影響其他電磁學的單位,例如庫侖伏特特斯拉韋伯等。(電磁學單位中,歐姆西門法拉亨利不受公斤變化的影響,因為分子是安培的平方,分母是公斤,公斤的變化恰巧可以抵消。)甚至光度基本單位坎德拉也會受到影響,而流明勒克斯也隨之影響。

因為許多國際標準制單位的大小都和一個已使用143年、高爾夫球大小、金屬製的國際公斤原器有關。因此國際公斤原器的品質需要認真保護,以維持國際標準制的一致性。儘管有最好的保護,但是自從33年前的第三次週期性校正至今,全世界的國際公斤原器複製品的平均質量已和國際公斤原器有5.7µg的誤差。世界各國的量測實驗室要在第四次週期性校正時才能確定質量變化的歷史趨勢是否會持續。

公斤的未來

但是目前的研究表明,國際公斤原器的質量隨着時間的推移會發生微小的變化。同時,為了防止過度的使用對國際公斤原器造成損傷,國際公斤原器也不能經常性使用。這些因素都給更精確地測量質量帶來不便。

目前世界上有許多科研小組試圖使用各種方法,對公斤進行重新定義。相關的計劃包括將公斤與阿佛加德羅常數相聯繫,重新測定阿佛加德羅常數,製作一個完美的矽28球體作為公斤標準[11];製造瓦特天平,透過普朗克常數質量之間的關係確定公斤的大小[12]

在2005年,國際計量委員會CIPM)已經建議以基本物理常量為基礎對公斤進行重新定義[13],並於2010年10月向國際度量衡大會(CGPM)提議以普朗克常量重新定義公斤。[14][15]2011年10月的國際度量衡大會第24次會議原則性同意該提議[16],並決定將原定2015年的第25次會議提前至2014年舉行,屆時做出最終決議。[17],2014年則決定將在2018年改由自然界的七個基礎常數換算成新的單位制度。

相關條目

註解

  1. ^ 當時定義克的法律也定義升為「體積計量單位, 可用於固體及液體, 為十分之一米的立方。」法語原文如下:「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. ^ 現代測量結果表明水在最大密度時的溫度為3.984 ℃. 但是在十八世紀晚期的科學家都斷定這個溫度是4℃.
  3. ^ 臨時公斤標準已經被按照早期由安托萬·拉瓦節阿羽依在法國一個不久就過時的名為 poids de marc 系統所測量出的單一和不準確的水密度來製造,當時測得一立方分米0 ℃蒸餾水含18,841格令。由勒費夫爾-紀諾和喬萬尼·法布羅尼所做的新的準確度更高的測量斷定一立方分米在新溫度標準4 ℃——水最「密集」的時候——下的水質量要比之前猜測的最的0 ℃不準確的測量值更小一些,為18,827.15格令。

    法國政治家塔列朗在法國提倡公制系統,1791年3月26日,塔列朗提出一份有關如何繼續公制計劃的草案,四天後法國政府組織一個委員會,目的是準確的決定新的公制系統的基本單位。委員會將任務分為五份,對應委員會中的五個組。確定一立方分米水的質量的任務一開始是交給安東萬·拉瓦節勒內·茹斯特·阿羽依,最後是由勒費夫爾-紀諾和法布羅尼所完成。

    拉瓦節是當時法國二十八個稅務官之一,在法國大革命恐怖統治時間中被控叛國罪,並且在1794年5月8日被斬首。阿羽依也入獄,差點還上了斷頭台,後來是在一位博物學家的說情下才倖免於難。

資料來源

  1. ^ Resolution of the 1st CGPM (1889). BIMP. [2008-12-16]. (原始內容存檔於2013-05-21). 
  2. ^ New York Times "The Latest: Landmark Change to Kilogram Approved" Nov 16 2018; https://www.nytimes.com/aponline/2018/11/16/world/europe/ap-eu-france-updating-the-kilo-the-latest.html頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  3. ^ 3.0 3.1 Decree on weights and measures. 1795-04-07 [2008-12-17]. (原始內容存檔於2011-05-12). Gramme, le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre , et à la température de la glace fondante. 
  4. ^ L'histoire du mètre, la détermination de l'unité de poids. [2008-12-17]. (原始內容存檔於2013-05-10). 
  5. ^ Ronald Edward Zupko. Revolution in Measurement: Western European Weights and Measures Since the Age of Science. DIANE Publishing. 1990. 
  6. ^ History of the kilogram. [2013-07-19]. (原始內容存檔於2013-08-21). 
  7. ^ 和百年公斤原器說再見!七大國際單位制將改頭換面. PanSci.asia. 泛科學. 2018-11-15 [2018-11-17]. (原始內容存檔於2018-07-06). 
  8. ^ John Leicester. Landmark change to measurement of kilogram approved. 《獨立報法語Irish Independent》. 2018-11-16 [2018-11-17]. (原始內容存檔於2018-11-16). 
  9. ^ Draft Resolution A "On the revision of the International System of units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) (PDF), [2018-11-18], (原始內容 (PDF)存檔於2018-04-29) 
  10. ^ Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. NIST. 2018-11-16 [2018-11-16]. (原始內容存檔於2019-05-29) (英語). 
  11. ^ 科学家借助硅球重新定义质量单位“千克”. 新華網. 2008-04-17 [2011-04-26]. (原始內容存檔於2009-10-16).  }
  12. ^ 如何重新定义一千克?. 譯言網. 2011-04-11 [2011-04-26]. (原始內容存檔於2011-04-19). 
  13. ^ 94th Meeting of the International Committee for Weights and Measures (2005). Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  14. ^ NIST Backs Proposal for a Revamped System of Measurement Units. Nist.gov. [2011-04-03]. (原始內容存檔於2011-03-19). 
  15. ^ Ian Mills. Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units (PDF). CCU. 2010-09-29 [2011-01-01]. (原始內容存檔 (PDF)於2011-01-10). 
  16. ^ Resolution 1 - On the possible future revision of the International System of Units, the SI (PDF). 24th meeting of the General Conference on Weights and Measures. Sèvres, France. 17–21 October 2011 [2011-10-25]. (原始內容 (PDF)存檔於2012-01-13). 
  17. ^ General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram. (PDF) (新聞稿). Sèvres, France: General Conference on Weights and Measures. 2011-10-23 [2011-10-25]. (原始內容存檔 (PDF)於2012-02-09). 

外部連結

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