[科普中國]-千克

定義

千克是公制計量單位，一千克等于一公斤，合我國二市斤。1

復數(shù)形式：Kilogrammes

國際單位制中米、千克、秒制的質(zhì)量單位，也是國際單位制的7個基本單位之一。法國大革命后，由法國科學院制定。原計劃制作的是新頒布的質(zhì)量的主單位——克的標準器，但因為當時工藝和測量技術(shù)所限，故制作了質(zhì)量是克的1000倍的標準器，即千克標準原器——這也是國際單位制中質(zhì)量單位是千克而不是克的原因。

發(fā)展歷史千克最初的定義和長度單位有關(guān)；

1791年規(guī)定：1立方分米的純水在4℃時的質(zhì)量 ，并用鉑銥合金制成原器，保存在巴黎，后稱國際千克原器。

1901年第3屆國際計量大會規(guī)定：千克是質(zhì)量(而非重量)的單位，等于國際千克原器的質(zhì)量。千克用符號kg表示。千克力是工程技術(shù)中常用的計力單位，規(guī)定為國際千克原器在緯度45°的海平面上所受的重力。符號為kgf。工程技術(shù)書中常把“力”字省略，因此易與質(zhì)量單位混淆，故上世紀我國曾規(guī)定使用重力又稱重量，單位是千克力。

2008年04月,位于不倫瑞克的德國國家計量研究院的研究人員表示，他們將采用直徑10厘米(4英寸)的純硅體去界定更為標準的度量方法。

直到2013年為止，一個質(zhì)量與千克最接近的鉑銥圓柱體，作為國際統(tǒng)一重量單位一直存放在法國巴黎郊外戒備森嚴的金庫內(nèi)，但是由于消耗與磨損，它的質(zhì)量正慢慢地減少，基本單位的準確性受到影響，誤差越來越大。

新的純硅體確實十分特殊，耗資200萬歐元(約合320萬美元)打造。純硅體合俄羅斯、澳大利亞和德國科學精英之力，用時五年制造，質(zhì)量無限接近于一千克，是近乎完美的球體，純度極高，99.99%的材料是一種稱為硅28的硅同位素。德國不倫瑞克的科學家開始對純硅體實施數(shù)千次實驗，以測算制成它的硅原子數(shù)量。

性質(zhì)千克是質(zhì)量的單位，而質(zhì)量就相當于日常說的一樣東西有多“重”。然而，質(zhì)量實際上是一個帶“慣性”的性質(zhì)；也就是說，一物體會在無外力的情況下傾向于保持既有的速度。當一質(zhì)量為一千克的物體在一牛頓的力作用下，會獲得一米每二次方秒的加速度（約相等于地球重力加速度的十分之一）。

物質(zhì)的重量完全隨本地的引力強度而定，而質(zhì)量則不變（設(shè)該質(zhì)量并非以相對論性速度相對于觀察者運動）。相應(yīng)地，在微引力下的宇航員不需任何力氣就能舉起太空艙內(nèi)的物體；因為物體“沒有重量”。然而，物體在微引力下仍保有其質(zhì)量，宇航員需使出十倍的力才能把十倍質(zhì)量的物體以相同的加速度加速。

單位定義早期定義1795年4月7日，克在法國被規(guī)定為相等于“容量相等于邊長為百分之一米的立方體的水于冰熔溫度時的絕對重量”。由于商貿(mào)一般涉及的質(zhì)量遠比一克大，又由于以水為標準的質(zhì)量既不方便又不穩(wěn)定，所以為了商業(yè)法規(guī)必需制造出質(zhì)量水定義的實化儀。于是，人們制造了一個臨時的質(zhì)量標準：一塊金屬人工制品，質(zhì)量為克的一千倍——千克。

同時，準確判定一立方分米（一升）的水質(zhì)量的工作也展開了。雖然千克定義規(guī)定的水溫0 °C是非常穩(wěn)定的溫度點，但是科學家們經(jīng)過多年的研究決定于1799年在定義中改用水最穩(wěn)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(jié)果為4 °C他們斷定在最大密度時一立方分米的水相等于4年前臨時千克標準目標質(zhì)量的99.9265%。同年，也就是1799年，人們制造出一塊純白金的原器，其目標就是原器質(zhì)量會相等于（當時科學上許可地盡量接近）4°C時一立方分米的水。該原器于六月被呈上國家檔案局，并于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于其質(zhì)量。這個標準維持了九十年。

國際原器自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(yè)度量衡學中很多時候會把它縮寫為“IPK”）的質(zhì)量相等。IPK由一種鉑合金制成，這種合金叫“90Pt10Ir”，即90%鉑及10%銥（按質(zhì)量比）；然后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。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與其六件姐妹復制品都被存放在國際計量局（BIPM）位于巴黎郊區(qū)的總部下層的儲藏室內(nèi)，有環(huán)境監(jiān)控的保險箱里。（見下面的外部圖片）開啟保險箱需要三條被分開保管的鑰匙。IPK的正式復制品可供其他國家作她們的全國標準之用。這些的復制品大概每50年就要跟IPK比對一次。

IPK是1879年制造的三個圓柱體之一。1883年，IPK的質(zhì)量被發(fā)現(xiàn)跟八十四年前的檔案局千克的一致，并在1899年的第一屆國際度量衡大會中被正式指定為千克。維也納標準海水（有嚴格同位素控制的純凈水）密度的現(xiàn)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。這個微小的差別，與IPK跟檔案局千克質(zhì)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制造檔案局千克的技藝是相當高超的。

各原器隨時間的質(zhì)量變動，其中K21–K40為各國的國家原器，K8(41)[注 4]與K32為IPK的姐妹復制品。所有質(zhì)量變動都是相對于IPK的。1889年的原值偏移量都被相對于IPK地零化。[10]以上的量度都是相對的；并沒有可以判定以上哪個原器是相對于大自然最穩(wěn)定的歷史數(shù)據(jù)。很有可能地，在這100年間所有原器的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量變量，可經(jīng)由比對世界各地正式復制品質(zhì)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年制的原批中四十個復制品的兩個。K20被指定為美國質(zhì)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(zhì)量核準。

需要指出的是，沒有一個復制品的質(zhì)量準確地等于IPK；它們的質(zhì)量經(jīng)過校準，得出的偏差值會被存盤。比方說，美國的國家首席標準K20，1889年最初的正式質(zhì)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(zhì)量準確地等于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(zhì)量持續(xù)地相對于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(zhì)量為1 kg±75 μg，但到1989年經(jīng)正式校準后質(zhì)量為1 kg±106 μg，而十年后則是1 kg±116 μg。在這110年間，K4相對于IPK輕了41 μg。

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(chǎn)生相對于IPK的質(zhì)量變動，當中原因有已知的，也有未知的。由于IPK與它的復制品都被存放于空氣中（盡管有兩層或以上的鐘罩），它們還是會經(jīng)由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質(zhì)量。因此會用一種稱為“BIPM清潔法”的手續(xù)來清潔它們，這種方法是BIPM于1939至1946年間開發(fā)的，當中手續(xù)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。

重新定義自1889年以來，“千克”這一重量是由放在法國巴黎國際度量衡局（BIMP）的一個鉑銥合金（90%的鉑，10%的銥）圓筒所定義，它的高和直徑都是約39毫米。該合金于1879年制成，經(jīng)仔細調(diào)校，符合自18世紀法國大革命以來“千克”的重量，并于10年后被采納，成為國際千克原器。國際千克原器被放置在巴黎市郊的地下室內(nèi)，人們一直認為這一合金的質(zhì)量不會改變。

在國際單位制里，除了“千克”，其余6個單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來定義的，質(zhì)量是唯一一個以物體來定義的國際單位。用物體來定義重量單位的一個缺點就是物體的重量會隨著時間的流逝而改變。實際上，到了1992年，國際千克原器的質(zhì)量就發(fā)生了變化。經(jīng)與其他“千克”原器相比，國際千克原器變化了約50微克，相當于一個直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質(zhì)量部主管艾倫·皮卡德說：“確切地說，我們無法確定它的質(zhì)量是多了還是少了。這一變化可能是由于表面影響，失去了表面原子或結(jié)合了污染物?！?/p>

美國國家標準與技術(shù)研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對千克進行重新定義的時候了?！逼绽厥菂⑴c重新定義千克的諸多度量衡學者中的一名。

參與這項研究的科學家們的基本想法是讓千克成為基本的物理學常量，就像我們用光在真空中的行進速度來定義米一樣：在真空中行進的光在299792458分之一秒內(nèi)旅行的距離為一米。有鑒于此，這些科學家正研究以更穩(wěn)定的量子力學常數(shù)——普朗克常數(shù)h取代物體，重新對“千克”下定義，并盡快達成200年來科學界尋求用穩(wěn)定數(shù)字來統(tǒng)一度量制度的目標。物理常量普朗克常數(shù)反映的是量子力學中能量子的大小，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為普朗克常數(shù)。將這一等式與更加著名的E=mc2結(jié)合在一起，科學家們就可以據(jù)此定義質(zhì)量了。

普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù)確定一個精確的數(shù)值本身也是一項非常復雜的工作，科學界有兩種不同的方法來確定普朗克常數(shù)的數(shù)值，而他們得到的結(jié)果卻并不一致，由此也讓科學家們對千克進行重新定義變得更加困難。

其中一種方法利用的是瓦特平衡法（也叫瓦特天平）來定義普朗克常數(shù)?？茖W家們的想法是：瓦特天平的一端包含有一個普通天平，剛開始，研究人員把一個質(zhì)量為m的物體懸掛在普通天平的一端，另一端掛著一段總長為L的線圈，線圈位于一個磁場強度為B的磁場中。在線圈中通以強度為i的電流，線圈就受到了一個大小為BLi的力的作用。仔細調(diào)節(jié)電流強度直至天平恰好平衡（也就是使mg=BLi），再通過一系列等式就可以與普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。但實際情況卻并非如此簡單。科學家們?nèi)匀恍枰獪y量其他數(shù)值，比如，本地重力的大小、最大的誤差源以及避免任何形式的振動。

2007年，普拉特采用瓦特天平法測量出了迄今最精確的一個普朗克常數(shù)數(shù)值——，誤差相對不確定度為36/109。但是，另一個由英國國家物理實驗所（NPL）制造、現(xiàn)放置于加拿大國家研究委員會國家測量標準研究所的測量儀器提供了一個不同于美國國家標準與技術(shù)研究院的結(jié)果，其數(shù)值更小。

另外一種獲得科學界認可的測量普朗克常數(shù)的方法是計數(shù)一塊純物質(zhì)樣本的原子數(shù)的數(shù)量，科學家們由此可以確定阿伏伽德羅常數(shù)（0.012千克碳12中包含的碳12原子的數(shù)量）的大小。而阿伏伽德羅常數(shù)通過另一系列等式，也可以與普朗克常數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2008年，德國聯(lián)邦物理和技術(shù)事務(wù)研究所的科學家開始利用兩個幾乎完美的1千克半球進行試驗，半球由純度高達99.995%的硅28制成。自此，他們開始使用高精度的激光干涉儀來確定半球的體積；使用X射線衍射來確定其晶體結(jié)構(gòu)，以便更加精確地計算出原子的數(shù)量。他們測出的阿伏伽德羅常數(shù)為，誤差相對不確定度僅僅為30/109。他們再經(jīng)過一系列等式和換算后得到的普朗克常數(shù)的數(shù)值與英國國家物理實驗所的瓦特天平測量法提供的結(jié)果相符合，但與美國國家標準與技術(shù)研究院給出的數(shù)值不符。

截止到2010年，普朗克常數(shù)的推薦值一般為，其相對不確定度為44/109。有些人表示，這一數(shù)值足以用來對千克進行重新定義。但是，也有人認為，需要將相對不確定度進一步縮小到20/109才能對千克進行重新定義。

普拉特表示：“要想做到這一點可能還需耗費一段時間，我們還要進行一些更嚴苛更困難的測量工作。”

據(jù)國外媒體報道，鑒于國際千克原器質(zhì)量的變化給物理學家?guī)砹司薮蟮睦碚撎魬?zhàn)，尤其是對那些需要精確測量的復雜實驗而言，因此，在2009年10月21日召開的第24屆國際計量大會上，國際單位委員會決定淘汰千克原器，用基于普朗克常數(shù)h的數(shù)值來代替“千克”。

大會還表示，在2014年之前“將不會采用這一常數(shù)”，此前還將通過實驗評估測量技術(shù)的精確性，以確保相對不確定度在20/109以內(nèi)。使今后若用普朗克常數(shù)來定義“千克”這一單位，日常生活不會受到任何影響，比如要買500毫克阿司匹林、半公斤胡蘿卜或一艘5萬噸的游船，千克仍然是千克。然而，這一變化卻會立即對專業(yè)實驗室的高精檢測產(chǎn)生重大影響。

單位換算1 千克 = 0.001公噸(或“噸”)

1 千克 = 1,000 克

1 千克 = 1,000,000 毫克

1 千克 = 1,000,000,000 微克

1千克=2斤

1千克=1公斤

1千克=20兩

質(zhì)量單位

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