Kilográm (oznaka kg) je osnovna enota SI mase, enaka mnogokratniku Planckove konstante, ki ustreza masi kubičnega decimetra (litra) vode pri 4 °C. Je edina osnovna enota s predpono kilo. Hkrati je osnova (t. i. primarni standard) za definicijo večine drugih tradicionalnih enot za maso na svetu.
Zgodovinsko so kilogram želeli določiti kot maso kubičnega decimetra vode neposredno, vendar je takšna količina vode nestabilna, s tem pa neuporabna sama po sebi. Leta 1889 je prva mednarodna Generalna konferenca za uteži in mere v Parizu uzakonila mednarodni prototipni kilogram (IPK oz. prakilogram), izdelan iz zlitine platine in iridija ter shranjen pri Mednarodnem uradu za uteži in mere (BIPM) v Sevresu pri Parizu, in določila, da je kilogram enota mase, enaka masi prakilograma. Masa prakilograma je ustrezala masi kubičnega decimetra vode pri 4 °C. IPK skupaj z njegovimi sestrskimi replikami hranijo v trezorju Mednarodnega urada za uteži in mere. Uradne replike, ki jih hranijo posamezne države, so služile kot nacionalni standardi, približno vsakih 40 let so jih primerjali z IPK, da je bila zagotovljena sledljivost lokalnih merjenj.
Kilogram je bil več kot pol stoletja edina enota, ki je bila definirana s standardnim predmetom namesto s temeljno fizikalno lastnostjo, ki bi jo bilo mogoče neodvisno izmeriti. Generalna konferenca za uteži in mere je leta 2011 sprejela načelno soglasje, da se kilogram redefinira na osnovi Planckove konstante, kar bi odpravilo pomanjkljivosti definicije s standardnim predmetom. Do leta 2015 so dokončno odpravili tehnične ovire, povezane z natančnostjo merjenja Planckove konstante, in 20. maja 2019 je stopila v veljavo trenutna definicija.
Teoretsko ozadje
Kilogram je enota mase, lastnosti, ki jo bolj običajno opisujemo z našim dojemanjem teže predmeta. Masa je inercijska sila; to pomeni, da je povezana s težnjo mirujočega predmeta, da ostane v mirovanju oz. premikajočega se predmeta, da se premika s konstantno hitrostjo, če nanj ne deluje nobena sila. Skladno z Newtonovimi zakoni gibanja in enačbo (drugi Newtonov zakon), bo objekt z maso (m) enega kilograma pričel pospeševati (a) s stopnjo 1 m/s², če bo nanj delovala sila F enega newtona–približno desetina Zemljinega težnega pospeška.
Teža objekta je torej odvisna od jakosti lokalnega težnostnega polja, masa pa je neodvisna od težnosti, saj je mera količine snovi, ki jo objekt vsebuje. Skladno s tem za astronavta daleč stran od Zemlje držati kilogramski objekt nad tlemi ne bo predstavljalo nobenega napora (objekt bo breztežen), še vedno pa bo moral uporabiti desetkrat tolikšno silo, da bo premaknil desetkilogramski objekt z enakim pospeškom kot kilogramski objekt.
Ker je na vsaki točki na Zemlji teža objekta sorazmerna z njegovo maso, lahko maso poljubnega objekta izmerimo s primerjavo njegove teže s težo standardnega objekta, ki ima dogovorjeno maso v kilogramih. Ravnotežna tehtnica pokaže razmerje med silo težnosti, ki deluje na oba objekta, to razmerje pa je enako razmerju mas obeh objektov.
Definicija Kilogram je izražen kot mnogokratnik Planckove konstante , s čemer je posredno določen s tremi temeljnimi fizikalnimi konstantami: poleg Planckove še s hitrostjo svetlobe in frekvenco atomskega prehoda cezija .
Po uradni definiciji Mednarodne konference za uteži in mere (CGPM) ga dobimo tako, da vzamemo fiksno numerično vrednost Planckove konstante kot , izraženo v enoti J⋅s, kar je enako kg⋅m2⋅s−1, kjer sta meter in sekunda definirana s in .
V teh enotah se kg izrazi kot: kg = = ≈ .
To ustreza masi kubičnega decimetra (litra) vode pri 4 °C z razliko manj kot 30 ppm.
Zgodovina Zamisel uporabe prostorninske enote vode za definiranje enote mase je predlagal angleški filozof John Wilkins leta 1668, kot način, kako bi povezali fizikalni količini maso in dolžino. (transkripcija v sodobni angleščini ) 7. aprila 1795 je bil po odredbi francoske vlade gram definiran kot absolutna teža količine čiste vode, enake kocki s stranico stotine metra in pri temperaturi taljenja ledu.
Kilogramme des Archives thumb|upright=1.3|Aragojev kilogram, natančna replika Kilogramme des Archives, ki jo je naročila ameriška vlada leta 1821. Izdelavo je nadzoroval francoski fizik François Arago, predmet pa je nato služil kot prvi ameriški standard za maso do leta 1889, ko so ZDA prešle na primarne metrične standarde in prejele svoja sedanja prototipna kilograma, K4 in K20. Ker se v praksi običajno trguje s predmeti, ki so mnogo masivnejši od enega grama, in ker bi bil standard, osnovan na večji količini vode, nepriročen ter nestabilen, je regulacija trgovanja zahtevala izdelavo praktične realizacije na vodi osnovane definicije mase. Zato so Francozi izdelali začasni standard v obliki kovinskega predmeta s tisočkratno maso grama – kilogram. Hkrati so zadolžili fizike, naj natančno določijo maso kubičnega decimetra (litra) vode.Isti odlok je definiral liter: »Liter: mera prostornine, tako za kapljevine kot trdnine, za katerega bi bil izpodriv enak kot pri kocki [s stranicami] ene desetine metra.« V izvirniku: . V prvotnem odloku je bila določena voda pri 0°C — najstabilnejši temperaturni točki, francoski kemik Louis Lefèvre-Gineau in italijanski prirodoslovec Giovanni Fabbroni pa sta po več letih raziskav leta 1799 spremenila standard, da je določal vodo pri najstabilnejši gostotni točki, torej temperaturi, pri kateri voda doseže največjo gostoto, takrat izmerjeno pri 4°C.Natančnejše sodobne meritve so to točko postavile pri 3,984°C. Dognala sta, da znaša masa kubičnega metra vode pri največji gostoti 99,9265 % mase začasnega kilograma, izdelanega štiri leta prej.Začasni kilogram je bil izdelan skladno s preliminarno, nenatančno meritvijo gostote vode, ki sta jo prej opravila Antoine Lavoisier in René Just Haüy, ter pokazala, da ima kubični decimeter destilirane vode pri 0°C maso 18.841 grainov v francoskem merskem sistemu poids de marc. Lavoisier in Haüy sta bila sicer člana Akademije, strokovnega telesa, ki mu je vlada ob sprejetju metričnega sistema naložila tudi natančno določitev mase kubičnega decimetra vode, vendar dela nista dokončala, saj sta bila malo pred koncem Robespierrove vladavine terorja v zadnji fazi francoske revolucije oba aretirana, Lavoisier pa nato celo obglavljen. Leta 1799 je bil nato izdelan prototip kilograma, z namenom izenačiti maso kubičnega centimetra vode pri 4°C tako natančno, kot je bilo realno možno v tem času. Junija je bil predmet, izdelan iz platine, predstavljen republiškemu arhivu in 10. decembra ratificiran kot kilogramme des Archives, enota kilogram pa definirana kot masa tega predmeta. Kot standard je veljal nadaljnjih 90 let.
Prakilogram Od leta 1889 je bila magnituda kilograma definirana kot masa predmeta, imenovanega mednarodni prototipni kilogram oz. prakilogram, , v metrologiji običajno okrajšan kot »IPK«. Ker je bila definicija vezana na konkreten predmet namesto na naravni pojav oz. zakonitost, ki bi se jo dalo neodvisno izmeriti, kilogram za razliko od ostalih merskih enot ni imel negotovosti.
Metrska konvencija, ki je v mednarodnem prostoru formalizirala metrični sistem (predhodnik mednarodnega sistema enot), je bila podpisana 20. maja 1875, kmalu po tem je bil izdelan IPK. Ta je en od treh cilindrov, ki so jih leta 1879 izdelali pri podjetju Johnson Matthey, ki je izdelalo tudi skoraj vse replike.F.J. Smith. "Standard Kilogram Weights ." Platinum Metals Rev. 17.2 (1973)Terry Quinn. From Artefacts to Atoms: The BIPM and the Search for Ultimate Measurement Standards. Oxford University Press. p. 321. Leta 1883 so njegovo maso primerjali z maso arhivskega kilograma, izdelanega 84 let prej, in ugotovili, da se ne razlikujeta. Uradno je bil nato ratificiran na prvi Generalni konferenci za uteži in mere leta 1889.
Mednarodni prototipni kilogram
IPK je izdelan iz zlitine Pt‑10Ir – 90 % platine in 10 % iridija (masni odstotki), obdelan je v pravilni valj (višina = premer) s stranico 39,17milimetra, da ima čim manjšo površino. Robova sta posneta pod štirimi koti (22,5, 45, 67,5 in 79°) za zmanjšanje obrabe. Dodatek iridija, izboljšava napram Kilogramme des Archives, je močno povečal trdoto, hkrati pa ohranil ostale prednosti platine: izjemno odpornost na oksidacijo, izjemno gostoto, solidno električno in toplotno prevodnost ter nizko magnetno susceptibilnost. IPK in šest njegovih sestrskih replik hrani BIPM v kletnem trezorju z nadzorovano atmosfero na svojem posestvu Pavillon de Breteuil na obronku Pariza. Uradne replike IPK so bile na voljo uradnim ustanovam držav članic metrske konvencije kot osnova za nacionalne standarde. Te replike so približno vsakih 40 let primerjali z IPK, s čimer se je zagotavljala sledljivost lokalnih meritev.Verifications. Mednarodni urad za uteži in mere. Pridobljeno 4.8.2013
Sodobne meritve standardnega vzorca vode (»Vienna Standard Mean Ocean Water«)Čista destilirana voda z izotopsko sestavo, ustrezno povprečju svetovnih oceanov. so pokazale, da ima gostoto pri točki največje gostote (3,984 °C) in tlaku ene atmosfere (101.325 Pa).Izotopska sestava in temperatura po "List of physicochemical data concerning water" (London South Bank University), gostota in negotovost po NIST Standard Reference Database Number 69 (pridobljeno 5.4.2010) Kubični decimeter vode pri največji gostoti ima torej zgolj 25 ppm nižjo maso kot IPK. Z drugimi besedami, pred več kot leti je znanstvenikom uspelo izdelati predmet z maso kubičnega decimetra vode pri 4°C, z napako ne večjo od mase enega zrna riža.
Replike thumb|Narodni prototipni kilogram K20, eden od dveh prototipov, ki ju hrani ameriški Narodni urad za standarde in tehnologijo (NIST) v Gaithersburgu, Maryland, in sta služila kot primarni standard za vse enote mase in teže v Združenih državah Amerike. Na sliki je razstavna replika kot je običajno hranjena: pod parom zvonastih pokrovov.
Replike mednarodnega prototipnega kilograma imajo naslednje oznake: Šest uradnih sestrskih replik z oznakami K1, 7, 8(41),Prototip št. 8(41) so po pomoti ožigosali s številko 41, njegova oprema pa nosi pravilno številko 8. Ker prototip, označen s številko 8, ne obstaja, zdaj tega označujejo z 8(41). 32, 43 in 47.The international prototype of the kilogram and its six official copies. Mednarodni urad za uteži in mere Hrani jih BIPM v svojem trezorju. Deset delovnih replik, od tega osem (9, 31, 42′, 63, 77, 88, 91 in 650Številke 42′, 77 in 650 se imenujejo »standardi« namesto »prototipi«, saj so rahlo lažji, ker je bilo ob njihovi izdelavi odstranjenega malo preveč materiala. Razen dejstva, da so več kot 1 mg pod nominalno maso 1 kg, so identični prototipom in so jih uporabljali za rutinske kalibracije.) za rutinsko uporabo in dve (25 in 73) za posebne potrebe. Hrani jih BIPM v svojem trezorju. Nacionalni prototipi, hranijo jih: Avstralija (44 in 87), Avstrija (49), Belgija (28 in 37), Brazilija (66), Češka (67), Danska (48), Egipt (58), Finska (23), Francija (35), Indija (57), Indonezija (46), Izrael (71), Italija (5 in 76), Japonska (6 in 94), Južna Koreja (39, 72 in 84), Kanada (50 in 74), Kazahstan, Kenija (95), Ljudska republika Kitajska (60 in 64; 75 v Hong Kongu), Madžarska (16), Mehika (21, 90 in 96), Nemčija (52, 55 in 70), Nizozemska (53), Norveška (36), Pakistan (93), Poljska (51), Portugalska (69), Republika Južna Afrika (56), Romunija (2), Rusija (12 in 26), Severna Koreja (68), Singapur (83), Slovaška (41 in 65), Srbija (11 in 29), Španija (24 in 3), Švedska (86), Švica (38 in 89), Tajska (80), Tajvan (78), Turčija (54), Združene države Amerike (20, 4, 79, 85 in 92) ter Združeno kraljestvo (18, 81 in 82). Dodatne replike, ki jih hranijo nevladne organizacije, kot sta Francoska akademija znanosti v Parizu (34) in Istituto di Metrologia G. Colonnetti v Torinu (62).