2.9. Единица массы системы си - килограмм

Согласно определению, утвержденному XI Генеральной конференцией по мерам и весам, принявшей систему СИ, в качестве основной механической единицы принята единица массы - килограмм. Определение килограмму дано следующее:

Единицей массы - килограммом - является масса вещества, равная массе прототипа килограмма.

Прототип килограмма представляет собой находящийся в Международном бюро по мерам и весам в Севре под Парижем цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия диаметром около 39 мм и такой же высоты. Выбор этого сплава обеспечивает высокие качества при хранении: химическую стойкость, однородность. Сплав легко полируется и хорошо очищается. Ввиду большой плотности, составляющей 21,5 г/см³ он обладает тем недостатком, что отделение от него уже малых частей приводит к большому изменению массы. По этой причине копии с эталонов массы (вторичные эталоны различных рангов), как правило, изготавливают из стали или из латуни.

Для обеспечения единства измерений массы в ходе установления и утверждения прототипа килограмма было изготовлено много его экземпляров. Масса прототипов обеспечивалось с отличием на уровне 10^-8 по относительной погрешности. Прототипы были проаттестованы в Международном бюро по мерам и весам. Каждому экземпляру была приписана погрешность. Возможные колебания массы прототипов не превышали 25 мкг, что соответствует относительной погрешности 2,5 ×10^-8. В Россию как в страну-участницу Метрической конвенции в 1889 г. был направлен прототип № 12, который хранится до настоящего времени во Всероссийском научно-исследовательском институте им. Д.И. Менделеева (бывшая Главная палата мер и весов России) в Санкт-Петербурге.

Первоначально прототип массы должен был совпадать с массой одного кубического дециметра воды при ее наибольшей плотности при температуре Т = 3,98°С и давлении 101325 Па. Однако, затем максимальная плотности воды была найдена равной 0, 999 972 г/см³, т. е. прототип массы оказался на 28 мкг больше, чем был задуман. Это сказалось бы на определении единицы объема, если бы таковая вводилась бы какобъем одного миллилитра воды. При известной массе прототипа килограмма единицу объема можно определить как объем 1000 г воды при наибольшей плотности и нормальном давлении. Определенная таким образом единица соотносилась бы с производной единицей объема системы СИ как

(2.39)

Международная система единиц СИ не является установленной для всех на все времена. Уже указывалось, что многие страны пользуются другой системой мер. Методы физических измерений также постоянно совершенствуются. Именно по этой причине переопределен целый ряд величин, например, метр, кандела. Ампер. Почти для всех основных единиц системы СИ приняты новые определения, основанные на физических явлениях, отличающихся постоянством и неподверженностью влиянию внешних воздействий. Это дает возможность создать так называемые «естественные» или «нетленные» эталоны. Такие эталоны созданы для основных единиц: длины - метра, времени - секунды, силы тока - Ампера, термодинамической температуры - Кельвина, силы света - канделы. Поиски такого же эталона для единицы массы - килограмма - еще не завершились успехом. Точность, достигаемая с помощью имеющегося эталона килограмма, очень высока и пока удовлетворяет все запросы практики. Тем не менее с выходом человека в Космос, с освоением Мирового океана и т. д. для многих нужд в технике измерений желательно иметь естественный эталон массы. Поиски возможности замены искусственного эталона массы обозначена сейчас метрологами как одна их наиболее актуальных научных и практических проблем.

Одним из путей решения такой задачи является возможность объединения проблем создания и хранения эталонов единицы количества вещества и единицы массы - моля и килограмма. Для этого необходимо создать точное средство измерения количества вещества с диапазоном изменения величины на 23 - 25 порядков, что соответствует как детектированию отдельных частиц, так и макроскопическим измерениям количества вещества, которое могло бы быть принято в качестве эталона инерционной или тяготеющей массы.