« kg » redirige ici. Pour les autres significations, voirKG.
Kilogramme
Un poids d'un kilogramme de qualité domestique enfonte grise. Sa forme suit la recommandation R52 de l'OIML pour les poids hexagonaux en fonte grise[1].
Le kilogramme est la seule unité SI de base possédant un préfixe (« kilo », symbole k utilisé pour désigner le millier d'une unité) dans son nom. Quatre des sept unités de base du Système international sont définies par rapport au kilogramme, donc sa stabilité est importante.
Du temps où il était en vigueur, le prototype international du kilogramme était rarement utilisé ou manipulé. Des copies en étaient conservées par les laboratoires nationaux demétrologie autour du globe et lui ont été comparées en 1889, 1948 et 1989 pour des besoins detraçabilité. Le prototype international du kilogramme (IPK, ouInternational Prototype kilogram[3]) est commandé par laConférence générale des poids et mesures (CGPM) sous l'autorité de laConvention du Mètre (1875), et est sous la garde duBureau international des poids et mesures (BIPM) qui le conserve (aupavillon de Breteuil) au nom de la CGPM.
Le mot « kilogramme » est formé du préfixe « kilo », dérivant dugrec ancienχίλιοι /chílioi, « mille »[8], et de « gramme », représentant 1/24e de l'once, par une fausse étymologie[9] reliant le mot au grec ancienγράμμα /grámma[10],[11]. À l'origine l'unité était legramme, correspondant àla masse d'un centimètre cube d'eau à la température de la glace fondante. Mais étant instable et peu pratique à manipuler, l'unité retenue fut le kilogramme afin de correspondre à un litre d'eau (à 4°C)[12]. Le mot « kilogramme » est écrit dans la loi française en 1795[13]. L'apocope « kilo » est une abréviation courante qui apparaît dès leXIXe siècle[14].
Le gramme est originellement défini en 1795 comme la masse d'un centimètre cube « d'eau pure » à4 °C[a], faisant du kilogramme l'égal de la masse d'unlitre d'eau pure. Le prototype du kilogramme, fabriqué en 1799 et sur lequel s'appuie le kilogramme jusqu'en, possède une masse égale à celle de1,000 025l d'eau pure.
De 1879 jusqu'au, il était défini comme étant égal à la masse du prototype international du kilogramme déposé au BIPM aupavillon de Breteuil près de Paris[15].
Depuis le, il est défini en fixant la valeur numérique de« laconstante de Planck,h, égale à 6,626 070 15 × 10−34J s, unité égale àkg m2 s−1 », lemètre et laseconde ayant déjà été définis auparavant en fixant« la fréquence de la transition hyperfine de l’état fondamental de l’atome decésium 133 non perturbé, ∆νCs, comme égale à 9 192 631 770 Hz » pour déterminer la seconde de façon aisément reproductible et précisément mesurable, et en fixant« la vitesse de la lumière dans le vide,c, comme égale à299 792 458m/s » pour déterminer également le mètre en fonction de la seconde de façon aisément reproductible et précisément mesurable[16]. Cette nouvelle définition a été officiellement approuvée par leBIPM le, lors de la26econférence générale des poids et mesures[17].
Les chaînes de la balançoire soutiennent lepoids de cette enfant. En revanche, si une personne, se tenant derrière, tentait de la stopper, elle agirait contre soninertie, qui est liée à sa masse et non à son poids.
Le kilogramme est uneunité demasse. Du point de vue physique, la masse est une propriétéinertielle, décrivant la tendance d'un objet à conserver la même vitesse en l'absence d'uneforce extérieure. Selon leslois du mouvement de Newton, un objet de masse 1 kgaccélère d'1 m/s2 quand on lui applique une force d'1 newton.
Si lepoids d'un système dépend de la force locale de la gravité, sa masse est invariante (tant qu'il ne se déplace pas à des vitesses relativistes[b]). En conséquence, pour unastronaute enmicropesanteur, aucun effort n'est nécessaire pour maintenir un objet au-dessus du plancher : il est sans poids. Toutefois, comme les objets en micropesanteur conservent leur masse et donc leur inertie, un astronaute doit exercer une force dix fois plus importante pour donner la même accélération à un objet de 10 kg qu'à un objet d'1 kg.
Comme sur Terre, le poids d'un objet est proportionnel à sa masse, sa masse en kilogramme est généralement mesurée en comparant son poids à celui d'un objet standard dont la masse est connue en kilogramme, à l'aide d'unebalance. Le rapport de la force de gravitation exercée sur les deux objets est égal au rapport de leur masse.
La magnitude de plusieurs unités formant le système SI, dont la plupart de celles mesurant l'électricité et la lumière, dépendaient fortement de la stabilité d'un cylindre de métal plus que centenaire stocké dans un coffre en France.
Le kilogramme sous-tend une grande partie duSystème international d'unités (SI) tel qu'il est actuellement défini et structuré. Par exemple :
l'ampère est défini relativement au newton, et donc au kilogramme.
La valeur des principales unités d'électricité (coulomb,volt,tesla etweber) dépend ainsi du kilogramme, tout comme celle des unités de lumière, lacandela étant définie grâce au watt et définissant à son tour lelumen et lelux. Si la masse du prototype international du kilogramme venait à changer, toutes ces unités varieraient en conséquence.
La définition des unités SI est toutefois différente de leur réalisation pratique. Par exemple, lemètre est défini comme la distance parcourue par la lumière pendant un 299 792 458e de seconde. Sa réalisation pratique prend typiquement la forme d'un laser hélium-néon et la longueur du mètre estdélinéée comme 1 579 800,298 728 longueurs d'onde de la lumière de ce laser. Si, par hasard, on réalisait que la mesure officielle de la seconde avait dérivé de quelquesparties par million (elle est en réalité extrêmement stable, avec une reproductibilité de quelques parties pour 1015[18]), cela n'aurait aucun effet automatique sur le mètre car la seconde — et donc la longueur du mètre — est absorbée par le laser qui en assume la réalisation pratique. Les scientifiques calibrant les appareils continueraient à mesurer le même nombre de longueurs d'onde du laser jusqu'à ce qu'un accord soit conclu pour procéder différemment. Dans le cas de la dépendance du monde extérieur à la valeur du kilogramme, si on déterminait que la masse du prototype international avait changé, cela n'aurait aucun effet automatique sur les autres unités de mesure, leur réalisation pratique fournissant un niveau d'abstraction les isolant. Si la variation de masse était définitivement prouvée, une solution consisterait à redéfinir le kilogramme comme égal à la masse du prototype plus une valeur de compensation.
À long terme, la solution consiste à libérer le système SI du prototype international en développant une réalisation pratique du kilogramme qui puisse être reproduite dans différents laboratoires en suivant une spécification définie. Les unités de mesure dans ces réalisations pratiques possèdent leur magnitude précisément définie et exprimée en fonction de constantes physiques fondamentales. Le kilogramme serait ainsi basé sur une constante universelle invariante.Actuellement[Quand ?], aucune alternative n'a encore atteint l'incertitude de 20 parties par milliard (environ 20 µg) requise pour faire mieux que le prototype. Toutefois, labalance du watt duNational Institute of Standards and Technology approche de ce but, avec une incertitude démontrée de 36 µg[19].
Le concept d'utiliser une unité de volume d'eau pour définir une unité de masse est proposée par le philosophe anglaisJohn Wilkins en 1668, afin de lier la masse et la longueur[21]. Le système métrique ayant par ailleurs défini lemètre, « qui a été adopté pour l'unité fondamentale de tout le système des mesures »[22], l'unité de poids qui en découle pouvait alors être le mètre cube d'eau d'unetonne (dont l'ordre de grandeur est celui des déplacements des navires), le décimètre cube d'un kilogramme (du même ordre de grandeur que lalivre, d'usage courant sur les marchés pour peser les marchandises), le centimètre cube d'un gramme (du même ordre que ledenier dans le système despoids de marc, poids des pièces monétaires courantes), ou le millimètre cube d'un milligramme (de l'ordre de laprime, utilisée pour les mesures de précision).
Legramme est introduit par laloi du 18 germinal an III () ; il est défini comme « le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre, et à la température de la glace fondante »[23]. Le choix de l'unité de base se porte donc sur le centimètre cube d'eau, le même décret prévoyant également dans ce système métrique universel une unité mesure monétaire, « l’unité des monnaies prendra le nom defranc, pour remplacer celui delivre usité jusqu'aujourd'hui »[22] : le choix dugramme comme unité de poids préparant la voie à unfranc métrique universel[c].
Comme le commerce met en jeu des objets nettement plus massifs qu'un gramme, et comme un standard de masse constitué d'eau serait instable, un étalon provisoire est réalisé en métal, d'une masse 1 000 fois plus grande que le gramme : le kilogramme. Cet étalon provisoire est fabriqué en accord avec une mesure imprécise de la densité de l'eau réalisée auparavant par Lavoisier et Haüy, qui estiment que l'eau distillée à0 °C a une masse de 18 841 grains dans l'ancien système despoids de marc[24].
Le, un étalon enplatine d'un kilogramme (nom originel, legrave), soit la masse d'un litre d'eau, est déposé (ainsi qu'un étalon du mètre) aux Archives de France. Le, l'étalon est ratifié officiellement comme « kilogramme des Archives » et le kilogramme est défini comme égal à sa masse.
Le, laConvention du Mètre formalise un peu plus lesystème métrique. L'unité de masse est redéfinie comme « kilogramme » (et non « gramme »), qui devient ainsi la seule unité de base incluant un préfixe multiplicateur[26]. Un nouvel étalon enplatine iridié de masse pratiquement identique au kilogramme des Archives doit être réalisé dès cette même année, mais la coulée est rejetée car la proportion d'iridium, 11,1 %, se situe en dehors des 9 - 11 % spécifiés. Le prototype international du kilogramme est l'un des trois cylindres réalisés en 1879. En 1883, sa masse est mesurée comme indifférenciable de celle du kilogramme des archives. Ce n'est qu'en1889, lors de la premièreCGPM, que le prototype international du kilogramme définit la magnitude du kilogramme ; il est conservé depuis aupavillon de Breteuil enFrance[27],[28].
Vue d'artiste enimage de synthèse de l'étalon kilogramme en platine iridié (la règle donne l'échelle).
LaConvention du Mètre, signée le, formalise lesystème métrique (prédécesseur duSystème international d'unités actuel) ; depuis 1889, il définit la magnitude du kilogramme comme égale à la masse du prototype international du kilogramme (PIK en abrégé, ou IPK pour l'anglaisInternational Prototype of the Kilogram)[28],[2], surnommé le « grand K ».
Le PIK est constitué d'unalliage de 90 % deplatine et 10 % d'iridium (proportions massiques), nommé « Pt-10Ir ». Il prend la forme d'uncylindre de 39,17 mm de hauteur et de diamètre afin de minimiser sa surface totale[31]. L'ajout d'iridium augmente fortement ladureté du platine tout en conservant certaines de ses propriétés : forte résistance à l'oxydation, très hautemasse volumique (presque deux fois plus dense que leplomb et 21 fois plus que l'eau), conductivitésélectrique etthermique satisfaisantes, et faiblesusceptibilité magnétique. LePIK et ses six copies sont stockés auBureau international des poids et mesures, protégés chacun par trois cloches de verre scellées dans un coffre-fort spécial à « l'environnement contrôlé » dans la cave la plus basse dupavillon de Breteuil àSèvres, dans la banlieue deParis. Trois clés indépendantes sont nécessaires pour ouvrir ce coffre. Des copies officielles du PIK sont réalisées pour les États afin de servir de standards nationaux. Le PIK n'est extrait de son coffre que pour en réaliser des étalonnages tous les 50 ans environ (cette opération n'a eu lieu que trois fois depuis sa création), afin de fournir unetraçabilité des mesures locales.
LeBureau international des poids et mesures fournit à ses États membres des copies du PIK de forme et composition quasi identiques, destinées à servir de standards de masse nationaux. Par exemple, les États-Unis possèdent quatre prototypes nationaux :
deux d'entre eux, K4 et K20, proviennent des 40 répliques originelles délivrées en 1884 ;
K79 provient d'une série de prototypes (K64 à K80) directement usinés au diamant ;
K20 est désigné comme le standard de masse principal des États-Unis, K4 comme le standard de vérification.
Aucune des copies ne possède une masse exactement égale à celle du PIK : leur masse est calibrée et documentée avec des valeurs de décalage. Par exemple, en 1889, la masse du prototype américain K20 est déterminée comme égale à 39 µg de moins que le PIK (1 kg − 39 µg donc = 0,999 999 961 kg). Lors d'une vérification en 1948, sa masse est mesurée égale à1 kg − 19 μg. La dernière vérification en 1999 lui détermine une masse identique à sa valeur initiale de 1889.
La masse de K4 a constamment décliné par rapport à celle du PIK, car les standards de vérification étant plus souvent manipulés, ils sont plus sujets aux éraflures et autres usures. En 1889, K4 est délivré avec une masse officielle de1 kg − 75 μg. En 1989, il est calibré à1 kg − 106 μg et en 1999, à1 kg − 116 μg ; c'est-à-dire qu'en 110 ans, K4 a perdu 41 µg par rapport au PIK[32].
En Allemagne, il y a aussi quatre prototypes nationaux :
K22, le prototype national allemand d'origine endommagé pendant laSeconde Guerre mondiale en 1944 ;
Dérive au cours du temps de la masse des prototypes nationaux (K21 à K40) et deux des copies du prototype international (K32 et K8(41)[e]). Toutes les variations de masse sont relatives au prototype international (IPK). Les écarts initiaux de 1889 ont été compensés[33]. Toutes ces mesures sont relatives : aucune donnée ne permet de déterminer si l'un des prototypes est plus stable par rapport à un invariant de la nature. Il est possible que tous les prototypes aient gagné de la masse au cours du siècle écoulé, mais que K21, K35, K40 et l'IPK en aient simplement gagné moins.
Le kilogramme a été la dernière unité de base duSystème international d'unités à être définie au moyen d'un étalon matériel fabriqué par l'homme. Par définition, l'erreur dans la valeur mesurée de la masse du « PIK » était, jusqu'en 2018, exactement zéro. Toutefois, tout changement dans sa masse pouvait être déduit en la comparant avec ses copies officielles stockées autour du monde, périodiquement retournées auBureau international des poids et mesures pour vérification.
Malgré les précautions d'utilisation et de conservation, la massethéorique (entendu dans ce sens, la masse qu'il aavec une autre définition du kilogramme[Laquelle ?]) du prototype a déjà varié de quelques microgrammes par rapport aux masses de copies[pas clair]. Il est souvent incorrectement dit que la massethéorique du prototype aurait diminué de l'équivalent d'un grain de sable de 0,4 mm de diamètre[34],[35],[36]. En fait, lorsqu'on mesure les copies par rapport à l'étalon on note que les masses des copies ont augmenté relativement au prototype (ce qui peut laisser croire que la masse du prototype a diminué par sa manipulation (éraflure microscopique par exemple). En plus, il est probable que la massethéorique du prototype a aussi augmenté (par ajout de poussière, de traces de doigts, de caoutchouc par exemple), mais moins que celles des copies. Il est aussi possible que les masses des copies et la massethéorique du prototype aient diminué mais que la massethéorique du prototype ait diminué plus rapidement que les masses des copies[37],[38]. En tout état de cause, par définition, la masse réelle du prototype était, elle, toujours restée immuable à 1 kg.
« Même si le repère cylindrique du kilogramme est abrité dans un coffre spécial, dans des conditions contrôlées au BIPM, sa masse (théorique) peut dériver légèrement au fil des ans et il est sujet à des modifications de masse (théorique) en raison de la contamination, la perte de matériau de surface par nettoyage, ou d'autres effets. Une propriété de la nature est, par définition, toujours la même et peut en théorie être mesurée n'importe où, alors que le kilogramme est accessible uniquement au BIPM et pourrait être endommagé ou détruit. »
De plus, aucun moyen technique ne permet de déterminer si l'ensemble des prototypes souffre d'une tendance à plus long terme ou non, car leur masse « relative à un invariant de la nature est inconnue en dessous de 1 000 µg ou sur une période de 100 ou même 50 ans »[39]. Comme on ne sait pas quel prototype a été le plus stable dans l'absolu, il est tout aussi valable de dire que l'ensemble du premier lot de copies, en tant que groupe, a gagné en moyenne environ 25 µg en 100 ans sur le PIK[g].
On sait par ailleurs que le PIK présente une instabilité à court terme d'environ 30 µg sur une période d'un mois après nettoyage[43]. La raison précise de cette instabilité n'est pas connue, mais on suppose qu'elle est liée à des effets de surface : des différences microscopiques entre les surfaces polies des prototypes, peut-être aggravées par l'absorption d'hydrogène parcatalyse descomposés organiques volatils qui se déposent lentement sur les prototypes et des solvants à base d'hydrocarbures utilisés pour les nettoyer[42],[38].
Il est possible d'exclure certaines explications sur les divergences observées. Le BIPM explique, par exemple, que la divergence dépend plus du temps écoulé entre les mesures que du nombre de fois où les prototypes ont été nettoyés ou d'un changement possible dans la gravité locale ni de l'environnement[37]. Un rapport publié en 2013 par Cumpson de l'université de Newcastle upon Tyne, basé sur laspectrométrie photoélectronique X d'échantillons stockés à côté de plusieurs prototypes, suggère qu'une source de divergence pourrait remonter à dumercure absorbé par les prototypes situés à proximité d'instruments utilisant ce métal. Une autre source provient d'une contaminationcarbonacée. Les auteurs de ce rapport suggèrent que ces contaminants pourraient être enlevés en utilisant une lumièreultraviolette et un lavage à l'ozone[44].
Les scientifiques constatent une plus grande variabilité des prototypes que ce qui était estimé à la base. La divergence croissante des masses des prototypes et l'instabilité à court terme du PIK ont initié des recherches pour améliorer les méthodes d'obtention d'une surface lisse à l'aide d'usinage au diamant sur les nouvelles répliques, et ont intensifié les recherches d'une nouvelle définition du kilogramme[41].
Histoire des définitions alternatives du kilogramme avant 2018
En2011, le kilogramme était ladernière unitéSI toujours définie par unartéfact[45].
En 1960, lemètre, précédemment défini par une simple barre de platine iridié avec deux marques gravées, est redéfini en termes de constantes physiques fondamentales et invariantes (lalongueur d'onde de la lumière émise par une transition des atomes dekrypton 86[46], puis plus tard lavitesse de la lumière) afin que le standard puisse être reproduit dans différents laboratoires en suivant des spécifications précises. Afin d'assurer la stabilité à long terme du Système international d'unités, la21e Conférence générale des poids et mesures, en 2000[46], a recommandé que« les laboratoires nationaux poursuivent leurs efforts pour affiner les expériences qui relient l'unité de masse à des constantes fondamentales ou atomiques et qui pourraient, dans l'avenir, servir de base à une nouvelle définition du kilogramme. » En 2005, lors de la24e réunion duComité international des poids et mesures (CIPM), une recommandation similaire est émise pour le kilogramme[47].
En, le CIPM vote pour soumettre une résolution à laConférence générale des poids et mesures (CGPM), afin de les notifier de l'intention de définir le kilogramme à l'aide de laconstante de Planck,h[48],[49]. Cette résolution est acceptée par la24e conférence du CGPM[50] en ; en outre, la date de la25e conférence est avancée de 2015 à 2014[51]. Cette définition permet théoriquement à n'importe quel appareil dedélinéer le kilogramme en termes de constantes de Planck[Quoi ?], dès qu'il possède une précision et une stabilité suffisantes. Labalance du watt pourrait être capable de répondre à cette demande. Si la CGPM adopte cette nouvelle proposition, et si la nouvelle définition du kilogramme est retenue dans le SI, la constante de Planck, qui lie l'énergie desphotons à leur fréquence, aurait une valeur fixe déterminée. Après accord international, le kilogramme ne serait plus défini par la masse du PIK. Toutes les unités SI dépendant du kilogramme et du joule auraient également leur magnitude définie au bout du compte, en fonction d'oscillations de photons. En fixant la constante de Planck, la définition du kilogramme ne dépendrait que de celle de la seconde et du mètre. La définition de la seconde ne dépend que d'une seule constante physique : « la seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133[52] ». Le mètre dépend de la seconde et de lavitesse de la lumièrec.
Afin de remplacer le dernier artéfact en usage, une variété de techniques et d'approches très diverses ont été considérées et explorées. Certaines sont fondées sur des équipements et procédures permettant la production à la demande de nouveaux prototypes (moyennant toutefois un effort considérable), à l'aide de techniques de mesure et de propriétés de matériaux basées au bout du compte sur des constantes fondamentales. D'autres font usage d'appareils mesurant l'accélération ou le poids de masses test, exprimant leur magnitude en termes électriques permettant là encore de remonter à des constantes fondamentales. Toutes les approches dépendent de la conversion d'une mesure de poids en une masse et nécessitent donc une mesure précise de la force de la gravitation dans les laboratoires. Toutes fixent également une ou plusieurs constantes physiques à une valeur déterminée. À ce titre le Canada semble avoir pris une longueur d'avance avec son projet de définition du kilogramme[53].
La balance du watt duNIST, projet gouvernemental américain pour définir un « kilogramme électrique ». Le dôme de la chambre à vide, qui s'abaisse sur l'ensemble de l'appareil, est visible dans le haut de la photographie.
Labalance de Kibble (ou balance du watt) est unebalance à plateau simple qui mesure la puissance électrique nécessaire pour s'opposer au poids d'une masse test d'un kilogramme dans le champ de gravitation terrestre. Il s'agit d'une variante de labalance de l'ampère(en) qui emploie une étape de calibration supplémentaire annulant l'effet de la géométrie. Lepotentiel électrique de la balance de Kibble est mesuré partension Josephson standard, qui permet à la tension électrique d'être liée à une constante physique avec une grande précision et une haute stabilité. La partierésistive du circuit est calibrée par rapport à unerésistance standard Hall quantique. La balance de Kibble nécessite une mesure précise de l'accélération locale de la gravitation,g, à l'aide d'ungravimètre.
Dans la balance de Kibble, qui fait osciller une masse de test de haut en bas contre l'accélération gravitationnelle localeg, la puissance mécanique requise est comparée à la puissance électrique, qui correspond au carré de la tension divisé par la résistance électrique. Cependant,g varie de façon significative — près de 1 % — suivant l'endroit de la Terre où est effectuée la mesure. Il existe également des variations saisonnières subtiles deg à cause du changement des nappes d'eau souterraines, et des variations bimensuelles et journalières due aux forces de marée de la Lune. Bien queg n'intervienne pas dans la nouvelle définition du kilogramme, elle intervient dans sa délinéation.g doit donc être mesurée avec autant de précision que les autres termes et doit donc être identifiable à des constantes physiques. Pour les mesures les plus précises,g est mesurée à l'aide degravimètres absolus à chute de masse contenant uninterféromètre àlaser hélium-néon stabilisé par iode. Le signal d'interférence de sortie est mesuré par unehorloge atomique àrubidium. Comme ce type de gravimètre dérive sa précision et sa stabilité de la constance de la vitesse de la lumière et des propriétés des atomes d'hélium, de néon et de rubidium,g est mesurée en fonction de constantes physiques avec une très haute précision. Par exemple, dans le sous-sol de l'établissement du NIST de Gaithersburg en 2009, la valeur mesurée était typiquement contrainte à 8 ppm de 9,801 016 44 m s−2[19].
L'utilisation d'une balance de Kibble pour définir le kilogramme dépend de sa précision et de sa concordance avec la précision améliorée de la mesure de la masse d'unemole desilicium très pur, ce qui dépend de la précision du mètre « rayons X », qui pourra s'améliorer via les travaux du physicienTheodor W. Hänsch[55],[56]. En outre, une telle balance nécessite un ensemble de techniques suffisamment complexes pour ne pas pouvoir être produite en grand nombre. Si le kilogramme est redéfini à l'aide de la constante de Planck, il n'y aura au mieux que quelques balances de Kibble en opération dans le monde.
Bien que n'offrant pas de réalisation pratique, il est possible de redéfinir la magnitude du kilogramme à l'aide d'un certain nombre d'atomes decarbone 12. Lecarbone 12 (12C) est unisotope ducarbone. Lamole est actuellement définie comme « la quantité d'entités (particules élémentaires ou molécules) égale au nombre d'atomes dans 12 grammes decarbone 12 ». Cette définition implique que1 000⁄12 (83⅓) moles de12C ont exactement une masse d'un kilogramme. Le nombre d'atomes dans une mole, une quantité connue comme lenombre d'Avogadro, est déterminé expérimentalement et sa meilleure estimation actuelle est 6,022 141 29(27) × 1023 atomes[58]. La nouvelle définition du kilogramme proposerait de fixer la constante d'Avogadro à précisément 6,022 14 × 1023, le kilogramme étant défini comme la masse égale à1 000⁄12 × 6,022 × 1023 atomes de12C.
Une variation de la définition propose de définir la constante d'Avogadro comme précisément égale à 84 446 8893 (6,022 141 62 × 1023) atomes. Une réalisation imaginaire en serait un cube de12C d'exactement 84 446 889 atomes de côté. Le kilogramme serait alors la masse égale à 84 446 8893 × 83⅓ atomes de12C[59],[h].
L'un des maitres opticiens de l'Australian Centre for Precision Optics[60] tient en main une sphère monocristalline d'un kilogramme desilicium réalisée pour le projet Avogadro. Ces sphères sont parmi les objets artificiels les plus sphériques jamais réalisés.
De telles sphères ont été réalisées pour le projet Avogadro et sont parmi les objets artificiels les plus ronds jamais réalisés. À l'échelle de la Terre, lepoint culminant de la meilleure de ces sphères — une zone de la taille d'un continent — s'écarterait de 2,4 m d'une sphère parfaite.
Des tests sont en cours sur les sphères de silicium du projet Avogadro afin de déterminer si leur masse est la plus stable quand elles sont stockées dans le vide, dans un vide partiel ou à pression ambiante. Dans tous les cas, aucun moyen technique n'existeactuellement[C'est-à-dire ?] qui permet de prouver que leur stabilité à long terme est meilleure que celle du PIK, car les mesures de masse les plus précises et les plus sensibles sont réalisées avec des balances à deux plateaux, qui ne peuvent comparer la masse d'une sphère de silicium qu'avec une masse de référence (les balances à un seul plateau mesurent le poids par rapport à une constante physique et ne sont pas suffisamment précises, l'incertitude nécessaire étant de 10 à 20 parties par milliard). D'après ce que l'on sait de l'absence de stabilité du PIK et de ses copies, il n'existe aucun artéfact d'une masse parfaitement stable permettant cette comparaison. De plus, le silicium s'oxyde pour former une fine couche (de l'ordre de 5 à 20 atomes) desilice et demonoxyde de silicium. Cette couche augmente légèrement la masse de la sphère, un effet qu'il faut prendre en compte lors du polissage final.
Toutes les approches basées sur le silicium fixeraient la constante d'Avogadro, mais conduiraient à des définitions différentes pour le kilogramme. Une approche ferait usage de silicium avec ses troisisotopes naturels présents. Environ 7,78 % du silicium est formé de deux isotopes plus lourds,29Si et30Si. Comme pour l'approche au12C, cette méthode définirait la magnitude du kilogramme en fixant la constante d'Avogadro à un certain nombre d'atomes de12C ; la sphère de silicium en serait la réalisation pratique. Cette approche pourrait définir précisément la magnitude du kilogramme car les masses des troisnucléides de silicium relativement à celle du12C sont connues avec précision (incertitudes relatives de 1 partie par milliard, ou mieux). Une méthode alternative utiliserait des techniques deséparation isotopique afin d'enrichir le silicium en un28Si quasiment pur, qui possède une masse atomique relative de 27,976 926 532 5(19)[61]. Avec cette approche, la constante d'Avogadro serait fixée, mais également la masse atomique du28Si. Le kilogramme serait alors défini comme la masse de1 000⁄27,976 926 532 5 × 6,022 141 79 × 1023 atomes de28Si. Mais même avec une telle définition, une sphère de28Si dévierait nécessairement du nombre de moles requis pour compenser ses diverses impuretés isotopiques et chimiques, ainsi que prendre en compte l'oxydation en surface[62].
Une autre approche basée sur la constante d'Avogadro et depuis abandonnée, l'accumulation d'ions, aurait défini et décliné le kilogramme en créant des prototypes de métal à la demande. Ils auraient été créés en accumulant des ions d'or ou debismuth (des atomes auquel il manque un électron) et en les comptant en mesurant le courant électrique nécessaire pour les neutraliser. L'or (197Au) et le bismuth (209Bi) ont été choisis car ils peuvent être manipulés sans danger et possèdent lamasse atomique la plus élevée parmi leséléments non-radioactifs (bismuth) ou parfaitement stables (or).
Avec une définition basée sur l'or, la masse atomique relative de l'or aurait été fixée à exactement 196,966 568 7, au lieu de sa valeur actuelle de 196,966 568 7 (6). La constante d'Avogadro aurait là encore été fixée. Le kilogramme aurait été défini comme la masse égale à exactement1 000⁄196,966 568 7 × 6,022 141 79 × 1023 atomes d'or.
Un aimant flottant au-dessus d'un supraconducteur baigné dans de l'azote liquide démontre la lévitation pardiamagnétisme parfait via l'effet Meissner. Les expériences avec une définition du kilogramme basée sur l'ampère renversent cette disposition : un champ électrique accélère une masse de test supraconductrice supportée par des aimants fixes.
Un autre approche définirait le kilogramme comme :
« la masse qui subirait uneaccélération de précisément 2 × 10−7m s−2 lorsqu'elle est soumise à laforce par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance d'un mètre l'un de l'autre dans levide, et à travers lesquels passe uncourant électrique constant d'exactement1⁄1,602 17 × 10−19ampère. »
Dans les faits, le kilogramme serait défini comme dérivé de l'ampère plutôt que la situation actuelle, où l'ampère est un dérivé du kilogramme. Cette redéfinition fixe lacharge élémentaire (e) à exactement 1,602 17 × 10−19coulomb.
Une réalisation pratique basée sur cette définition délinée la magnitude du kilogramme directement dans ce qui définit la nature même de la masse : une accélération due à une force appliquée. Cependant, il est très difficile de concevoir une réalisation pratique basée sur l'accélération de masses. Des expériences ont été réalisées sur des années auJapon avec une masse de 30 gsupraconductive supportée par lévitationdiamagnétique et n'ont jamais atteint une incertitude meilleure que dix parties par million. L'hystérésis était l'un des facteurs limitants. D'autres groupes ont effectué des recherches similaires à l'aide de différentes techniques pour faire léviter la masse[65],[66].
Comme l'unité de base « kilogramme » comporte déjà un préfixe, les préfixes SI sont ajoutés par exception au mot « gramme » ou à son symbole g, bien que legramme ne soit qu'un sous-multiple du kilogramme (1 g = 10−3kg).
le gamma (symbole γ), autre nom pour lemicrogramme (μg)[67].
Correspondance entre le kilogramme et les anciennes unités « métrisées »
livre
kilogramme
quintalmétrique
tonne
livre
1
0,5 exactement
0,005
5 × 10−4
grave
2
1
0,01
0,001
kilogramme
2
1
0,01
0,001
quintal métrique
200
100
1
0,1
tonne
2 000
1 000
10
1
Lesunités anglo-saxonnes sont assez largement utilisées de par le monde. On utilise couramment les unités du systèmeavoirdupois (av), et, dans certains cas spécifiques, les unités du systèmetroy (t) :médicaments etmétaux précieux.
↑Selon la théorie de larelativité restreinte d'Albert Einstein, la masse apparente pour un observateur d'un objet de masse au repos s'accroit avec sa vitesse comme (où est lefacteur de Lorentz). Cet effet est ridiculement faible aux vitesses usuelles, qui sont de plusieursordres de grandeur moindre quecelle de la lumière. En pratique, du point de vue du kilogramme, les effets de la relativité sur la constance de la masse n'ont aucun effet sur sa définition et ses réalisations.
↑Avant le rapport du BIPM publié en 1994 et détaillant le changement de masse relatif des prototypes, les différents organismes utilisaient leurs propres techniques pour le nettoyer. Le NIST, par exemple, trempait et rinçait les siens tout d'abord dans dubenzène, puis dans de l'éthanol, avant de les nettoyer avec un jet de vapeur d'eau bi-distillée.
![Un poids d'un kilogramme de qualité domestique en fonte grise. Sa forme suit la recommandation R52 de l'OIML pour les poids hexagonaux en fonte grise[1].](/mt/?noimg=&dark=on&url=https%3a%2f%2ffr.wikipedia.org%2fwiki%2fFichier%3aPoids_fonte_1_kg_02.jpg)
