Kilogram

Rozbalit box

Obsah boxu

Kilogram (symbol kg) je základní jednotka hmotnosti v Mezinárodní soustavě jednotek (SI). Je to jediná základní jednotka SI, která ve svém názvu obsahuje předponu SI ("kilo"). Od 20. května 2019 je kilogram definován ne pomocí fyzického objektu, ale na základě pevně stanovené hodnoty Planckovy konstanty, základní konstanty kvantové fyziky. Tato změna zajistila, že definice kilogramu je stabilní a univerzálně reprodukovatelná.

Před touto redefinicí byl kilogram po 130 let definován jako hmotnost mezinárodního prototypu – válce ze slitiny platiny a iridia, známého jako "Le Grand K", který je uložen v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy (BIPM) v Sèvres u Paříže. Ukázalo se však, že hmotnost tohoto prototypu se v čase nepatrně mění, což vedlo ke globální snaze nalézt stabilnější definici.

Nová definice nemá žádný znatelný dopad na každodenní život, ale je klíčová pro vědu a technologie, kde je vyžadována extrémní přesnost, například ve farmaceutickém výzkumu, nanotechnologiích a fundamentální fyzice.

📜 Historie a "Le Grand K"

Původní koncept jednotky hmotnosti v metrickém systému pochází z doby Francouzské revoluce. V roce 1795 byl gram definován jako hmotnost jednoho centimetru krychlového vody o teplotě tání ledu. Brzy se ukázalo, že gram je pro komerční účely příliš malá jednotka, a proto byla přijata jednotka kilogram (1000 gramů), původně definovaná jako hmotnost jednoho litru (decimetr krychlový) vody při teplotě její maximální hustoty (cca 4 °C).

Protože definice založená na vodě byla obtížně reprodukovatelná, byl v roce 1889 na první Generální konferenci o vahách a mírách (CGPM) zaveden fyzický prototyp. Tím se stal válec vyrobený ze slitiny 90 % platiny a 10 % iridia, známý jako Mezinárodní prototyp kilogramu (IPK) nebo neformálně Le Grand K. Tento artefakt byl uložen v přísně kontrolovaných podmínkách v trezoru v Sèvres.

Problémem této definice byla její nestabilita. Porovnávání s jeho oficiálními kopiemi, distribuovanými po celém světě, ukázalo, že hmotnost prototypu se v průběhu desetiletí rozchází o desítky mikrogramů. Důvodem mohla být ztráta atomů při čištění nebo absorpce nečistot z atmosféry. Jelikož "Le Grand K" byl z definice přesně jeden kilogram, znamenalo to, že se technicky měnila hmotnost všech ostatních objektů ve vesmíru. Tato nejistota byla nepřijatelná pro moderní vědu.

🔬 Redefinice v roce 2019

Po desetiletích výzkumu rozhodla 26. Generální konference pro míry a váhy 16. listopadu 2018 o redefinici čtyř základních jednotek SI, včetně kilogramu. Nová definice, která vstoupila v platnost 20. května 2019 (na Světový den metrologie), opustila fyzický artefakt a navázala kilogram na fundamentální přírodní konstantu – Planckovu konstantu (h).

Planckova konstanta je klíčová v kvantové mechanice a popisuje vztah mezi energií a frekvencí fotonu. Její hodnota byla pro účely definice pevně stanovena na 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J⋅s. Protože jednotka joule (J) obsahuje kilogram (J = kg⋅m²⋅s⁻²), fixací hodnoty Planckovy konstanty (spolu s definicemi metru a sekundy, které jsou také navázány na přírodní konstanty) je jednoznačně definována i jednotka kilogram.

Tato změna znamená, že kilogram lze nyní realizovat v jakékoliv laboratoři na světě, která má dostatečně přesné vybavení, bez nutnosti porovnání s prototypem v Francii.

⚖️ Realizace a měření

Převod abstraktní definice založené na konstantě do reálného světa vyžaduje sofistikované experimentální techniky. Dvě hlavní metody pro realizaci nového kilogramu jsou:

Kibbleovy váhy (dříve wattové váhy): Tento přístroj porovnává mechanický výkon s elektrickým výkonem. V jednom kroku se měří elektrický proud potřebný k vygenerování magnetické síly, která vyrovná tíhu měřeného objektu. V druhém kroku se stejnou cívkou pohybuje v magnetickém poli a měří se indukované elektrické napětí. Kombinací těchto měření lze hmotnost objektu vztáhnout přímo k hodnotě Planckovy konstanty s extrémní přesností.

Avogadrův projekt: Tato metoda definuje kilogram na základě stanoveného počtu atomů. Vědci vytvořili téměř dokonalou kouli z monokrystalu křemíku-28 a s pomocí rentgenové krystalografie a dalších technik spočítali počet atomů v ní. Tím, že se pevně stanovila hodnota Avogadrovy konstanty (která definuje mol), lze kilogram definovat jako hmotnost určitého počtu atomů křemíku.

Obě metody poskytují nezávislé způsoby, jak realizovat definici kilogramu, a jejich výsledky se shodují, což potvrzuje robustnost nového systému.

🌍 Kilogram v běžném životě

Pro naprostou většinu lidí se redefinicí kilogramu nic nezměnilo. Kilo mouky v obchodě váží stále stejně a osobní váha ukazuje stejné číslo. Změna se týká výhradně metrologie na nejvyšší úrovni přesnosti.

Kilogram je základní jednotkou pro obchod a průmysl po celém světě. Od něj se odvozují další jednotky hmotnosti:

Tuna (t): 1 000 kilogramů. Používá se pro měření velkých hmotností (např. vozidla, stavební materiál).
Gram (g): 1/1 000 kilogramu. Běžně se používá v potravinářství a chemii.
Miligram (mg): 1/1 000 000 kilogramu. Používá se hlavně v lékařství a farmacii pro dávkování léků.
Mikrogram (μg): 1/1 000 000 000 kilogramu. Používá se ve vědě a analytické chemii.

👶 Pro laiky: Co je teď kilogram?

Představte si, že "jeden metr" byl dříve určen délkou jedné konkrétní tyče zamčené v trezoru. Pokud by se tyč nepatrně srazila nebo ohnula, změnil by se "metr" pro celý svět. To nebylo ideální. Proto vědci řekli: "Pojďme definovat metr pomocí něčeho, co je všude ve vesmíru stejné a neměnné – rychlosti světla."

S kilogramem se stalo něco podobného. Dříve to byla hmotnost jednoho konkrétního kovového válečku ("Le Grand K"). Ale i ten se nepatrně měnil, "hubnul" o hmotnost zrnka písku. Místo něj teď vědci používají univerzální "přírodní zákon", který se jmenuje Planckova konstanta. Je to jako recept, který přesně říká, kolik energie je potřeba na vytvoření určitého množství hmoty. Pomocí speciálních "supervah" (Kibbleovy váhy) teď může jakákoli laboratoř na světě podle tohoto "receptu" naprosto přesně vytvořit nebo změřit jeden kilogram. Kilogram už tedy není věc, ale neměnná vlastnost vesmíru.

💡 Zajímavosti a souvislosti

Kilogram je jedinou základní jednotkou SI, která ve svém názvu obsahuje předponu. Historicky se uvažovalo o změně názvu na "grave", ale tento název se neujal.
Hmotnost jednoho litru čisté vody je stále velmi blízko jednomu kilogramu, což odpovídá původní definici.
Česká republika má svou vlastní kopii mezinárodního prototypu, kopii č. 67, kterou spravuje Český metrologický institut.
Redefinice v roce 2019 se netýkala jen kilogramu, ale také jednotek ampér (elektrický proud), kelvin (teplota) a mol (látkové množství), které byly rovněž navázány na fundamentální konstanty.

Zdroje