基本介紹
- 中文名：千克
- 外文名：kilogram
- 拼音：qiān kè
- 意思：千克，度量單位
- 性質：國際單位制
- 適用範圍：數理科學
定義,發展歷史,性質,單位定義,早期定義,國際原器,重新定義,普朗克常數,單位換算,質量單位,
定義
千克是公制計量單位，一千克等於一公斤，合我國二市斤。
千克複數形式：Kilogrammes
國際單位制中米、千克、秒制的質量單位，也是國際單位制的7個基本單位之一。法國大革命後，由法國科學院制定。原計畫製作的是新頒布的質量的主單位——克的標準器，但因為當時工藝和測量技術所限，故製作了質量是克的1000倍的標準器，即千克標準原器——這也是國際單位制中質量單位是千克而不是克的原因。
2018年11月16日，第26屆國際計量大會（CGPM）經包括中國在內的各成員國表決，全票通過了關於“修訂國際單位制（SI）”的1號決議。根據決議，千克、安培、開爾文和摩爾等4個SI基本單位的定義將改由常數定義，於2019年5月20日起正式生效。1千克將定義為“對應普朗克常數為6.62607015×10^-34J·s時的質量單位”。其原理是將移動質量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數表達的電磁力，再通過質能轉換公式算出質量。
發展歷史
千克最初的定義和長度單位有關；
1901年第3屆國際計量大會規定：千克是質量(而非重量)的單位，等於國際千克原器的質量。千克用符號kg表示。千克力是工程技術中常用的計力單位，規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。工程技術書中常把“力”字省略，因此易與質量單位混淆，故上世紀我國曾規定使用重力又稱重量，單位是千克力。
2008年04月,位於不倫瑞克的德國國家計量研究院的研究人員表示，他們將採用直徑10厘米(4英寸)的純矽體去界定更為標準的度量方法。
直到2013年為止，一個質量與千克最接近的鉑銥圓柱體，作為國際統一重量單位一直存放在法國巴黎郊外戒備森嚴的金庫內，但是由於消耗與磨損，它的質量正慢慢地減少，基本單位的準確性受到影響，誤差越來越大。
新的純矽體確實十分特殊，耗資200萬歐元(約合320萬美元)打造。純矽體合俄羅斯、澳大利亞和德國科學精英之力，用時五年製造，質量無限接近於一千克，是近乎完美的球體，純度極高，99.99%的材料是一種稱為矽28的矽同位素。德國不倫瑞克的科學家開始對純矽體實施數千次實驗，以測算製成它的矽原子數量。
2018年11月16日，第26屆國際計量大會通過“修訂國際單位制”決議，正式更新國際標準質量單位“千克”的定義。
2019年5月20日，新國際單位體系將正式生效。
性質
物質的重量完全隨本地的引力強度而定，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，在微引力下的太空人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，物體在微引力下仍保有其質量，太空人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。
單位定義
早期定義
1795年4月7日，克在法國被規定為相等於“容量相等於邊長為百分之一米的立方體的水於冰熔溫度時的絕對重量”。由於商貿一般涉及的質量遠比一克大，又由於以水為標準的質量既不方便又不穩定，所以為了商業法規必需製造出質量水定義的實化儀。於是，人們製造了一個臨時的質量標準：一塊金屬人工製品，質量為克的一千倍——千克。
同時，準確判定一立方分米（一升）的水質量的工作也展開了。雖然千克定義規定的水溫0 °C是非常穩定的溫度點，但是科學家們經過多年的研究決定於1799年在定義中改用水最穩定的密度點，也就是水達到最大密度時的溫度，當時的量度結果為4 °C他們斷定在最大密度時一立方分米的水相等於4年前臨時千克標準目標質量的99.9265%。同年，也就是1799年，人們製造出一塊純白金的原器，其目標就是原器質量會相等於（當時科學上許可地儘量接近）4°C時一立方分米的水。該原器於六月被呈上國家檔案局，並於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於其質量。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（在專業度量衡學中很多時候會把它縮寫為“IPK”）的質量相等。IPK由一種鉑合金製成，這種合金叫“90Pt10Ir”，即90%鉑及10%銥（按質量比）；然後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與其六件姐妹複製品都被存放在國際計量局（BIPM）位於巴黎郊區的總部下層的儲藏室內，有環境監控的保險箱裡。（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的正式複製品可供其他國家作她們的全國標準之用。這些的複製品大概每50年就要跟IPK比對一次。
IPK是1879年製造的三個圓柱體之一。1883年，IPK的質量被發現跟八十四年前的檔案局千克的一致，並在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淨水）密度的現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製造檔案局千克的技藝是相當高超的。
各原器隨時間的質量變動，其中K21–K40為各國的國家原器，K8(41)[注 4]與K32為IPK的姐妹複製品。所有質量變動都是相對於IPK的。1889年的原值偏移量都被相對於IPK地零化。[10]以上的量度都是相對的；並沒有可以判定以上哪個原器是相對於大自然最穩定的歷史數據。很有可能地，在這100年間所有原器的質量都增加了，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因時間而成的質量變數，可經由比對世界各地正式複製品質量判定出來，這個過程被稱為“定期核准”。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複製品的兩個。K20被指定為美國質量的國家首席標準。這兩個原器，跟其他國家的一樣，都要定期送回BIPM作質量核准。
需要指出的是，沒有一個複製品的質量準確地等於IPK；它們的質量經過校準，得出的偏差值會被存檔。比方說，美國的國家首席標準K20，1889年最初的正式質量為1 kg±39 μg；也就是說K20比IPK輕39 μg。1999年的上一次核准指出其質量準確地等於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的質量持續地相對於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量為1 kg±75 μg，但到1989年經正式校準後質量為1 kg±106 μg，而十年後則是1 kg±116 μg。在這110年間，K4相對於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生相對於IPK的質量變動，當中原因有已知的，也有未知的。由於IPK與它的複製品都被存放於空氣中（儘管有兩層或以上的鐘罩），它們還是會經由表面吸附大氣層中的灰塵而獲得質量。因此會用一種稱為“BIPM清潔法”的手續來清潔它們，這種方法是BIPM於1939至1946年間開發的，當中手續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，以及讓原器在核准前先放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。該合金於1879年製成，經仔細調校，符合自18世紀法國大革命以來“千克”的重量，並於10年後被採納，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，人們一直認為這一合金的質量不會改變。
在國際單位制里，除了“千克”，其餘6個單位“米”“秒”“安培”“摩爾”等都不是以物體來定義的，質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，國際千克原器的質量就發生了變化。經與其他“千克”原器相比，國際千克原器變化了約50微克，相當於一個直徑0.4毫米的小沙粒。BIPM質量部主管艾倫·皮卡德說：“確切地說，我們無法確定它的質量是多了還是少了。這一變化可能是由於表面影響，失去了表面原子或結合了污染物。”
美國國家標準與技術研究院工程師喬恩·普拉特表示：“到了我們需要對千克進行重新定義的時候了。”普拉特是參與重新定義千克的諸多度量衡學者中的一名。
普朗克常數
為普朗克常數確定一個精確的數值本身也是一項非常複雜的工作，科學界有兩種不同的方法來確定普朗克常數的數值，而他們得到的結果卻並不一致，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。科學家們的想法是：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，線圈位於一個磁場強度為B的磁場中。線上圈中通以強度為i的電流，線圈就受到了一個大小為BLi的力的作用。仔細調節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聯繫起來。但實際情況卻並非如此簡單。科學家們仍然需要測量其他數值，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，普拉特採用瓦特天平法測量出了迄今最精確的一個普朗克常數數值——
，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）製造、現放置於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於美國國家標準與技術研究院的結果，其數值更小。
另外一種獲得科學界認可的測量普朗克常數的方法是計數一塊純物質樣本的原子數的數量，科學家們由此可以確定阿伏伽德羅常數（0.012千克碳12中包含的碳12原子的數量）的大小。而阿伏伽德羅常數通過另一系列等式，也可以與普朗克常數產生關聯。
2008年，德國聯邦物理和技術事務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%的矽28製成。自此，他們開始使用高精度的雷射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構，以便更加精確地計算出原子的數量。他們測出的阿伏伽德羅常數為
，誤差相對不確定度僅僅為30/109。他們再經過一系列等式和換算後得到的普朗克常數的數值與英國國家物理實驗所的瓦特天平測量法提供的結果相符合，但與美國國家標準與技術研究院給出的數值不符。
截止到2010年，普朗克常數的推薦值一般為，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。”
據國外媒體報導，鑒於國際千克原器質量的變化給物理學家帶來了巨大的理論挑戰，尤其是對那些需要精確測量的複雜實驗而言，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，用基於普朗克常數h的數值來代替“千克”。
大會還表示，在2014年之前“將不會採用這一常數”，此前還將通過實驗評估測量技術的精確性，以確保相對不確定度在20/109以內。使今後若用普朗克常數來定義“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、半公斤胡蘿蔔或一艘5萬噸的遊船，千克仍然是千克。然而，這一變化卻會立即對專業實驗室的高精檢測產生重大影響。
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
質量單位
編制 | 具體單位 |
國際單位制 | |
台制 | 斤|兩 |
市制 | |
英制 | |
東亞古制 | |
專屬單位 | |
常用重量換算公式 | 1 grain 格令 =0.065 gram 克 1 dram 打蘭 =1.772 grams 克 1 ounce 盎司 =16 drams 打蘭 =28.35 grams 克 1 pound 磅 =16 ounces 盎司 =7000 grains 谷 =0.4536 kilogram 千克 1 stone 英石 =14 pounds 磅 =6.35 kilograms 千克 1 quarter 四分之一英擔 =2 stones 英石 =12.70 kilograms 千克 1 hundredweight 英擔 =4 quarters 四分之一英擔 =50.80 kilograms 千克 1 short ton 短噸 ( 美噸 )=2000 pounds 磅 =0.907 tonne 公噸 1 (long) ton 長噸 ( 英噸 )=20 hundredweight 英擔 =1.016 tonnes 公噸 |
