Tietokoneella luotu kuva kansainvälisestä kilogramman prototyypistä (IPK).Kilogramman arvoa määrittävä laite, joka on tarkempi kuin aikaisempi standardiin kilogrammaan vertaaminen.
Kilogramma (yksikön tunnuskg[1]), yleiskielessä usein lyhyestikilo, onSI-järjestelmän mukainenmassanyksikkö. 1700-luvun lopunRanskassa oli ajatuksena luoda arjen ja tieteen käyttöön sopiva yksikkö, jonka käyttöä olisi helppo soveltaa. Siksi kilogramma määriteltiin aluksi litran suuruisen vesimäärän massaksi. Vaikka sen tieteellistä määritelmää on vuosien saatossa kehitetty, on alkuperäinen ajatus säilynyt hyvin.
Arkikielessä voidaan käyttää ilmaisuaesineen paino vaikka tarkoitetaanesineen massaa. Sanatmassa japaino ovat käytössä tieteellisissä teksteissä kahden eri käsitteen niminä.Paino tarkoittaa massan aiheuttamaa painon tunnetta esimerkiksi kädellä, kun maanpainovoima vetää esinettä alaspäin. Painon yksikkö onnewton, massan yksikkö on kilogramma. Arkikielessä näitä nimityksiä käytetään sekaisin. Se, kumpaa milloinkin tarkoitetaan, selviää vasta asiayhteydestä.
Kilogramman nykyisen määritelmän vahvisti kahdeskymmeneskuudesyleinen paino- ja mittakonferenssi vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019.[2]Kilogramma on määritelty antamallaPlanckin vakiolle (h) tarkka numeerinen arvo; 6,626 070 15 × 10−34J⋅s, eli 6,626 070 15 × 10−34 kg⋅m2⋅s−1, jolloin kilogramma määritelläänmetrin jasekunnin avulla. Metri on määriteltyvalonnopeuden (c) sekä sekunticesiumin erään taajuuden (ΔtCs) avulla, joten kilogramma on määritelty täysin luonnonvakioiden mukaan eikä riipu enää fyysisestä kappaleesta.[2]
Käytännössä tämä Planckin vakioon perustuva mittanormaali voidaan toteuttaa sähkösuureiden kvanttinormaaleihin perustuenwattivaa’an avulla.[3]
Samassa CGPM:n konferenssissa päätettiin, että kilogramman prototyypin, kappaleenK, massa on 1 kg, mutta vain samalla suhteellisella tarkkuudella, jolla Planckin vakio voitiin konferenssin aikaan mitata (suhteellinen virhe 1,0 × 10−8). KappaleenK massa tullaan jatkossa määrittämään kokeellisesti.[2]
KuningasLudvig XVI nimesi 1700-luvun lopulla tiedemiesryhmän pohtimaan uuden mittajärjestelmän perusteita. Ryhmä kehitti niin sanotun ”desimaalisen metrisen mittajärjestelmän”. Siinä kaikkien suureiden yksiköt johdettiin pituusmitanmetrin avulla ja niiden kerrannaisten määritettiin olevan kymmenjärjestelmäkerrannaisia. Massan yksikkö johdettiin desimetristä veden avulla. Kuutiodesimetri jäätymispisteessä olevaa vettä vastasi massan perusyksikköä.[4]
Ranskan vallankumouksen jälkeentasavaltalainen hallitus jatkoi kuninkaan ideaa muutamin poikkeuksin. Esimerkiksi massan yksikkö ei saanut suosiota, koska useimmat punnitukset tehtiin perusyksikköä pienemmille massoille. Siksi päädyttiin pienentämään massan perusyksikköä tuhannesosaan aiemmasta, ja kutsuttiin sitä ”grammeksi” eli grammaksi. Koska gramman massainen prototyyppi olisi osaltaan ongelmallinen, tehtiin prototyypistä tuhat kertaa suurempi eli 1 000 gramman painoinen. Näin syntyi toteutus, joka sekä myötäili aiempaa perusyksikköehdotusta että uusia ajatuksia.[4]
Määrittelyn jälkeen kilogramman määritelmän tueksi valmistettiin metalliseoksesta ”mallikappale” eli kilogramman prototyyppi, jota kutsuttiin nimelläKilogramme des Archives. Se onplatinasta jairidiumin seoksesta valmistettuympyrälieriön muotoinen kappaleK (eli ”Le Grand K”), jonka korkeus ja läpimitta ovat 39 millimetriä, ja jotaBureau international des poids et mesures (lyhennetäänBIPM) säilyttää[5]Sèvresissä BIPM:n kellaritiloissa olosuhteissa, jotka 1.Conférence Générale des Poids et Mesures (lyhennetäänCGPM) määritteli vuonna 1889. Sama sopimus määritteli, että kilogramman mittayksikkö on sama kuin kyseisen kappaleenK massa.[6][7][8]
Vuonna 1901 kolmannessa CGPM-kokoontumisessa otettiin kantaa sanaanpaino ja vahvistettiin, että massan yksiköksi tulee kilogramma eli m(K) = 1 kg. Tämä on edelleen kilogramman määritelmän perusta, vaikka tiedetäänkin, että kappaleenK massa kasvaa metallin pinnan läpi ilmasta liukenevien aineiden johdosta. Metalliin liukenevien aineiden määrä on noin 1 μg eli gramman miljoonasosa vuodessa.[6][7][8]
Sen jälkeen kunmetrille vahvistettiin vuonna 1960 krypton-86:n säteilyyn perustuva määritelmä, kilogramma oli ainoa SI-järjestelmän perusyksikkö, jonka määritelmä ei perustunut luonnonvakioihin vaan keinotekoiseen mallikappaleeseen.
Alkuperäisestä kilogramman prototyypistä valmistettiin kuusi kopiota, joita säilytetään samassa kassakaapissa. Näiden lisäksi on valmistettu ruostumattomasta teräksestä kappale, jota voidaan kuljettaa eri maihin sikäläisen kansallisen prototyypin kalibrointia varten. Vuosien aikana on tehty runsaasti tutkimuksia prototyyppien käytöstä ja huomattu, että riittävän herkillä vaaoilla seitsemän kappaleen massoissa on tapahtunut eriytymistä. Massat eivät säily samoina, vaikka prototyyppejä säilytetään huolella.[9]
Vuonna 1999 esitettiin 21. CGPM:n konferenssissa kehotus kehittää menetelmä massan perusyksikön kiinnittämiseksi luonnonvakioihin, jotta prototyypin muutosalttiudesta johtuvista ongelmista päästäisiin eroon.[10]
Vuonna 2011 CGPM tarttui tapaan määrittää kilogrammaPlanckin vakion avulla, joka saisi tarkkaan määrätyn arvon 6,626 0 × 10−34Js.
Vaikka näin sovittiin alustavasti vuonna 2011, asialle jätettiin harkinta-aikaa, ja lopullinen päätös kilogramman prototyypistä luopumisesta tehtiin vasta Kansainvälisen paino- ja mittakomitean kokouksessa vuonna 2018.[11][6] Kilogramman uusi määritelmä astui voimaan 20. toukokuuta 2019.[2] 26. yleinen paino- ja mittakonferenssi (CGPM) äänesti aiheesta kokouksessaan 13.–16. marraskuuta 2018.[12]
Vaihtoehtona kilogrammalle ehdotettiin myös määritelmää, jonka mukaan kilogramma olisi (6,022 141 5/12) × 1026 (eli 0,501 845 125 × 1026) kertaa hiili-12-atomin massa. Tämä määritelmä olisi liittynyt läheisestimoolin määritelmään, sillä gramman jaatomimassayksikön suhde olisi ollut edelleen tarkalleen sama kuinAvogadron vakion lukuarvo.[13]
SI-yksiköiden ohella on käytössä (metrinen) tonni, jonka tunnus ont ja tarkoittaa 1 t = 1 000 kg = 103 kg. Vuonna 1879 sitä kutsuttiin nimellätonne, mutta nimi on muuntunut Suomessa muotoontonni. Englanninkielisissä maissa on käytössä nimitysmetric ton.[14]
Pienet atomien massan kokoiset yksiköt on hyväksytty käytettäväksi SI-yksiköiden rinnalla. Ne ovat atomimassayksikkö, jossa 1 u = 1,660 538 86(28) × 10−27 kg, sekä dalton, jossa 1 Da = 1 u.[15]
Kilogrammaa on aikaisemmin käytetty myösvoiman yksikkönä. Sellaisena se tarkoitti voimaa, jolla Maa vetää puoleensa yhden kilogramman massaa merenpinnan tasolla 45. leveyspiirillä, missäpainovoiman kiihtyvyydellä on ns. normaaliarvo 9,806 65 m/s2. Tälle voimayksikölle annettiin myöhemmin nimikilopondi, ja siihen perustui useilla teknisillä aloilla 1970-luvulle saakka käytettytekninen mittajärjestelmä.
Kilogrammasta ja muista perusyksiköistä on johdettu erilaisiajohdannaisyksiköitä.
Kilogramma on SI-järjestelmän perusyksiköistä ainoa, jonka nimeen sisältyyetuliite (k eli kilo). Tämän vuoksi kilogramman kerrannaisyksiköitä ei, toisin kuin muiden SI-yksiköiden kerrannaisia, muodostetakaan lisäämällä suoraan sen eteen toinen etuliite vaan vaihtamalla etuliitekilo toiseen etuliitteeseen (tai jättämällä se pois). Niinpä vaikka kilogramma on perusyksikkö, sen kerrannaisyksiköt muodostetaan ikään kuin sen tuhannesosa eligramma olisi perusyksikkö. Esimerkiksi miljoonasosa kilogrammasta eli 10−6 kg ei ole 1 μkg vaan 10−3 g = 1 mg eli milligramma.[18][19]
Gramman kerrannaiset muodostetaan normaaliin tapaan seuraavasti.[20]
Kerroin
Nimi
Tunnus
Kerroin
Nimi
Tunnus
100
gramma
g
101
dekagramma
dag
10−1
desigramma
dg
102
hehtogramma
hg
10−2
senttigramma
cg
103
kilogramma
kg
10−3
milligramma
mg
106
megagramma
Mg
10−6
mikrogramma
μg
109
gigagramma
Gg
10−9
nanogramma
ng
1012
teragramma
Tg
10−12
pikogramma
pg
1015
petagramma
Pg
10−15
femtogramma
fg
1018
eksagramma
Eg
10−18
attogramma
ag
1021
tsettagramma
Zg
10−21
tseptogramma
zg
1024
jottagramma
Yg
10−24
joktogramma
yg
Vaikka taulukossa gramma on lihavoitu, massan perusyksikkö ei siis ole gramma vaan kilogramma.
Massan kerrannaisyksiköt
Yksikön nimi
Yksikön tunnus
Suhde grammaan
Käyttö
Mikrogramma
μg
miljoonasosa grammasta
Esimerkiksi tiettyjen vitamiinien päivittäinen saanti
Milligramma
mg
tuhannesosa grammasta
Esimerkiksi lääketablettien sisältämät ainemäärät.
Gramma
g
Esimerkiksi ruoka-aineiden massa ruoanvalmistuksessa.
Periaatteessa mahdollisia mutta harvoin käytettyjä ovat lisäksi muun muassa dekagramma (10 g), hehtogramma (100 g), senttitonni (10 kg) ja desitonni (100 kg).
Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institute Of Standards And Technology. Viitattu 23.3.2013. (englanniksi)
Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): Guide for the Use of the International System of Units (SI) (pdf) (nro 811) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 23.3.2013. (englanniksi)
↑26th meeting of the CGPM: 13-16 November 2018 (Sitaatti: "26th meeting of the CGPM: 13-16 November 2018" eli suomeksi "kahdeskymmeneskuudes yleinen paino- ja mittakonferenssi: 13.11.2018–16.11.2018") BIPM. Viitattu 29.12.2017. (englanniksi)
↑Helsingin Sanomat, artikkeli Tiede ja luonto -sivuilla 20.11.2007
↑Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 32
↑Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 34
↑abTaylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 24
↑abcTaylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 25
↑Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 30
↑International Bureau of Weights and Measures:SI-esite, s. 152
↑Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 47
