Kilogrammet er basisenheden for masse i det internationale enhedssystem (SI). Den anvendes i vid udstrækning inden for videnskab, teknik og handel verden over. Historisk blev et kilogram knyttet til massen af en liter vand, men i dag er definitionen baseret på en fundamental konstant.

Fra den 20. maj 2019 er definitionen af kilogrammet baseret på Planck-konstanten som 6,62607015×10−34 kg⋅m2 ⋅s−1. Denne faste værdi gør, at kilogrammet ikke længere beroede på et fysisk prototypestykke, men er defineret ud fra en nøjagtig værdi af en naturkonstant og dermed koblet til metre og sekunder via de øvrige SI-definitioner.

Definition og betydning

Definition: Et kilogram er den enhed af masse, som følger af den faste numeriske værdi af Planck-konstanten h, når den udtrykkes i enheden kg⋅m2⋅s−1. Praktisk betyder det, at kilogrammet nu realiseres og måles ved hjælp af eksperimentelle metoder, der knytter mekaniske størrelser til elektromagnetiske størrelser gennem h.

Bemærk: Masse er en grundlæggende fysisk størrelse og adskiller sig fra vægt, der er den kraft, et legeme oplever i et gravitationsfelt. Et legemes masse i kilogram er den samme uanset lokale tyngdeforhold, mens vægten målt i newton varierer med tyngdeaccelerationen.

Historie

  • 1795 — I Frankrig blev grammet oprindeligt defineret som massen af en kubikcentimeter vand ved sin tætningspunkt, og kilogrammet blev betragtet som 1000 gram. På grund af praktiske vanskeligheder ved redefineringen af volumen og temperatur var denne forbindelse dog vanskelig at realisere nøjagtigt.
  • 1875/1889 — På grundlag af Meterkonventionen blev der fremstillet en international prototype af kilogrammet (ofte kaldet IPK), et platin‑iridium‑stykke opbevaret ved BIPM i Sèvres nær Paris, som i over 100 år var den officielle realisering af kilogrammet.
  • 20. maj 2019 — Den internationale måleenhedskonference besluttede at redefinere kilogrammet ved at sætte værdien af Planck-konstanten til en eksakt størrelse. Dette fjernede afhængigheden af en enkelt fysisk prototype, fordi afvigelser (drift) i IPK og dens kopier var observeret over årtier.

Moderne realisering og målemetoder

Der er i praksis to primære eksperimentelle metoder, som har været og er vigtige for realiseringen af kilogrammet:

  • Kibble-vægten (tidligere kaldt watt-balance): Et fintfølende instrument, der sammenligner mekanisk kraft (vægt) med elektromagnetisk kraft via præcist målte elektriske strømme og spændinger, som kan kobles til Planck‑konstanten gennem kvanteelektromagnetiske effekter (Josephson‑ og kvante-Hall-effekter).
  • Avogadro-projektet / XRCD-metoden: Bestemmelse af antallet af atomer i en næsten perfekt monokrystallinsk sfære af selektivt 28Si-silicium ved hjælp af røntgendiffraktion og tætheder. Ved at kende antallet af atomer i en given masse kan man knytte kilogrammet til atomernes masser og Avogadros tal — en metode, der var vigtig i arbejde frem mod 2019‑redefinitionen.

Efter 2019 er Planck‑konstanten fastsat eksakt, og nationale metrologiinstitutter realiserer kilogrammet ved hjælp af Kibble‑vægte og komplementære metoder. Disse realiseringer kan stadig have måleusikkerheder i praksis, men selve definitionen bærer ingen usikkerhed.

Praktisk brug og konverteringer

  • Et kilo svarer til 1000 gram og er den mest almindelige enhed af masse i daglig tale i mange lande.
  • Et kilo er lidt mere end 2,2 pund (nøjagtigt 1 kg = 2,2046226218487757 lb efter SI‑definitionerne).
  • Et ton (metrisk ton) er et tusind kilo (1000 kg).
  • En liter vand vejer næsten nøjagtigt et kilo ved cirka 3,98 °C (39,16 °F; 277,13 K) på havniveau. Det er denne nære sammenhæng mellem liter og kilogram, som historisk har gjort vand til en nyttig reference for praktiske definitioner.

Andre bemærkninger

Selvom SI-systemet nu binder kilogrammet til en fundamental konstant, er realiseringen af enheden fortsat et aktivt felt inden for metrologien. Nationale laboratorier samarbejder for at sikre sammenhæng mellem realiseringer og for at reducere måleusikkerheder i anvendelser, hvor ekstrem nøjagtighed er nødvendig (f.eks. i fundamentalfysik, højteknologisk fremstilling og vægtstandarter).

Kort fortalt: Kilogrammet er SI‑enheden for masse, og siden 2019 er det defineret ved en nøjagtig værdi af Planck‑konstanten. Dette gør definitionen uafhængig af et enkelt fysisk objekt og kobler massenheden til universelle fysiske konstanter.