Kilogramma

Wikipediasta
(Ohjattu sivulta Mikrogramma)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Tietokoneella luotu kuva kansainvälisestä kilogramman prototyypistä (IPK).

Kilogramma (yksikön tunnus kg [1]), yleiskielessä usein lyhyesti kilo, on SI-järjestelmän mukainen yksikkö perussuureelle massalle. 1700-luvun lopun Ranskassa 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 ilmaisua esineen paino vaikka tarkoitetaan esineen massaa. Sanat massa ja paino ovat käytössä tieteellisissä teksteissä kahden eri käsitteen niminä. Paino tarkoittaa massan aiheuttamaa painon tunnetta esimerkiksi kädellä, kun maan painovoima vetää esinettä alaspäin. Painon yksikkönä on newton, kun massan yksikkönä on kilogramma. Arkikielessä näitä nimityksiä käytetään sekaisin ja se, kumpaa milloinkin tarkoitetaan, selviää vasta asiayhteydestä.

Yksikön määritelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kilogramman nykyisen määritelmän vahvisti kahdeskymmeneskuudes yleinen paino- ja mittakonferenssi vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019.[2] Kilogramma on määritelty antamalla Planckin vakiolle (h) tarkka numeerinen arvo; 6,626 070 15 × 10−34 Js, eli 6,626 070 15 × 10−34 kg⋅m2⋅s−1, jolloin kilogramma määritellään metrin ja sekunnin avulla. Metri on määritelty valonnopeuden (c) sekä sekunti cesiumin 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 perustuen wattivaa’an avulla.[3]

Samassa CGPM:n konferenssissa päätettiin, että kilogramman prototyypin, kappaleen K, massa on 1 kg, mutta vain samalla suhteellisella tarkkuudella, jolla Planckin vakio voitiin konferenssin aikaan mitata (suhteellinen virhe 1,0 × 10−8). Kappaleen K massa tullaan jatkossa määrittämään kokeellisesti.[2]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kuningas Ludvig XVI nimesi 1700-luvun lopulla tiedemiesryhmän pohtimaan uuden mittajärjestelmän perusteita. Ryhmä kehitti niin sanotun ”desimaalisen metrisen mittajärjestelmän”. Siinä kaikkien suureiden yksiköt johdettiin pituusmitan metrin avulla ja niiden kerrannaisten määritettiin olevan kymmenjärjestelmäkerrannaisia. Massan yksikkö johdettiin desimetristä veden avulla. Kuutiodesimetri jäätymispisteessä olevaa vettä vastasi massan perusyksikköä.[4]

Ranskan vallankumouksen jälkeen tasavaltalainen hallitus jatkoi kuninkaan ideaa muutamin poikkeuksin. Esimerkiksi massan yksikkö ei jakanut suosiota, koska useimmat punnitukset tehtiin perusyksikköä pienemmille massoille. Siksi päädyttiin pienentämään massan perusyksikköä tuhannesosaan aiemmasta ja sitä kutsuttiin ”grammeksi” eli grammaksi. Koska gramman massainen prototyyppi olisi osaltaan ongelmallinen, tehtiin prototyypistä tuhat kertaa suurempi eli 1 000 gramman painoinen. Näin syntyi ajatus, joka sekä myötäili aiempaa perusyksikköehdotusta että uusia ajatuksia.[4]

Määrittelyn jälkeen kilogramman määritelmän tueksi valmistettiin metalliseoksesta ”mallikappale” eli kilogramman prototyyppi, jota kutsuttiin nimellä Kilogramme des Archives. Se on platinasta ja iridiumin seoksesta valmistettu ympyrälieriön muotoinen kappale K (eli ”Le Grand K”), jonka korkeus ja läpimitta ovat 39 millimetriä, ja jota Bureau international des poids et mesures (lyhennetään BIPM) säilyttää [5] Sèvresissä BIPM:n kellaritiloissa olosuhteissa, jotka 1. Conférence Générale des Poids et Mesures (lyhennetään CGPM) määritteli vuonna 1889. Sama sopimus määritteli, että kilogramman mittayksikkö on sama kuin kyseisen kappaleen K massa.[6][7][8]

Vuonna 1901 kolmannessa CGPM-kokoontumisessa otettiin kantaa sanaan paino ja vahvistettiin, että massan yksiköksi tulee kilogramma eli m(K) = 1 kg. Tämä on edelleen kilogramman määritelmän perusta, vaikka tiedetäänkin, että kappaleen K massa kasvaa metallin pinnan läpi ilmasta liukenevien aineiden johdosta. Metalliin liukenevien aineiden määrä on noin 1 μg eli gramman miljoonasosan vuodessa.[6][7][8]

Sen jälkeen kun metrille vuonna 1960 vahvistettiin krypton-86:n säteilyyn perustuva määritelmä, kilogramma oli ainoa SI-järjestelmän perusyksikkö, jonka määritelmä ei perustunut luonnonvakioihin vaan keinotekoiseen mallikappaleeseen.

Perusmallin kopiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alkuperäisestä kilogramman prototyypistä valmistettiin kuusi muuta 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 on huomattu, että riittävän herkillä vaaoilla seitsemän kappaleen painoissa on tapahtunut eriytymistä. Ne eivät säily samoina, vaikka niitä säilytetään huolella.[9]

Siirtyminen uuteen määritelmään[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 1999 esitettiin 21. CGPM:n konferenssissa kehotus kehittää menetelmä kiinnittää massan perusyksikkö luonnonvakioihin, jotta prototyypin epästabilisuudesta johtuvista ongelmista päästäisiin eroon.[10]

Vuonna 2011 CGPM tarttui tapaan määrittää kilogramma Planckin vakion avulla, joka saisi tarkkaan määrätyn arvon 6,626 0 × 10−34 Js.

Vaikka näin sovittiin alustavasti vuonna 2011, sille 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 läheisesti moolin määritelmään, sillä gramman ja atomimassayksikön suhde olisi ollut edelleen tarkalleen sama kuin Avogadron vakion luku­arvo.[13]

Muita massan yksiköitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

SI-yksiköiden ohella käytettäväksi on (metrinen) tonni, jonka tunnus on t ja tarkoittaa 1 t = 1 000 kg = 103 kg. Vuonna 1879 sitä kutsuttiin nimellä tonne, mutta nimi on muuntunut Suomessa muotoon tonni. Englanninkielisissä maissa on käytössä nimitys metric 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]

Johdannaisyksiköitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kilogrammaa on aikaisemmin käytetty myös voiman yksikkönä. Sellaisena se tarkoitti voimaa, jolla Maa vetää puoleensa yhden kilogramman massaa merenpinnan tasolla 45. leveyspiirillä, missä painovoiman kiihtyvyydellä on ns. normaaliarvo 9,806 65 m/s2. Tälle voimayksikölle annettiin myöhemmin nimi kilopondi, ja siihen perustui useilla teknisillä aloilla 1970-luvulle saakka käytetty tekninen mittajärjestelmä.

Kilogrammasta ja muista perusyksiköistä on johdettu erilaisia johdannaisyksiköitä.

SI-kertoimet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kilogramma on SI-järjestelmän perus­­yksiköistä ainoa, jonka nimeen sisältyy etu­liite (k eli kilo). Tämän vuoksi kilo­gramman kerrannais­yksiköitä ei, toisin kuin muiden SI-yksiköiden kerrannaisia, muodostetakaan lisäämällä suoraan sen eteen toinen etu­liite vaan vaihtamalla etu­liite kilo toiseen etuliitteeseen (tai jättämällä se pois). Niinpä vaikka kilo­gramma on perus­yksikkö, sen kerrannais­yksiköt muodostetaan ikään kuin sen tuhannes­osa eli gramma 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.
Kilogramma kg tuhat grammaa Esimerkiksi ihmisten massa. Massan perusyksikkö.
Tonni (Megagramma) t tai Mg Miljoona grammaa Esimerkiksi laivojen tai lentokoneiden massa. Myös suurten eläinten, kuten dinosaurusten massa.
Kilotonni (Gigagramma) kt tai Gg Miljardi grammaa Esimerkiksi ydinaseiden TNT-verrannollinen voima.
Megatonni (Teragramma) Mt tai Tg Miljardi kilogrammaa Esimerkiksi ydinaseiden TNT-verrannollinen voima.

Periaatteessa mahdollisia mutta harvoin käytettyjä ovat lisäksi muun muassa dekagramma (10 g), hehtogramma (100 g), senttitonni (10 kg) ja desitonni (100 kg).

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) (Sivu 3.) SFS-oppaat. 4.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 18.2.2013.
  2. a b c d On the revision of the international system of units, Resolution 1 ((Yksiköiden määritelmät kohdassa Appendix 3: The base units of the SI)) Bureau international des poids et mesures. Viitattu 20.5.2019.
  3. Uusi SI-järjestelmä toteuttaa Maxwellin unelman. Arkhimedes, 2012, nro 2. Artikkelin verkkoversio.
  4. a b International Bureau of Weights and Measures: Kilogramman alkuhistoria
  5. International Bureau of Weights and Measures: Kilon prototyyppi
  6. a b c Marko Hamilo, Kilogramma saa uuden määritelmän. Suomen Kuvalehti 3/2012 sivut 18–19
  7. a b Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 18
  8. a b International Bureau of Weights and Measures: SI-kilo
  9. International Bureau of Weights and Measures: Prototyypin kopiot ja tarkistus
  10. International Bureau of Weights and Measures: SI-esite, s. 165
  11. International Bureau of Weights and Measures: Vedos päätöksesta
  12. 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. (englanniksi)
  13. Helsingin sanomat, artikkeli Tiede ja luonto -sivuilla 20.11.2007
  14. Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 32
  15. Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 34
  16. a b Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 24
  17. a b c Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 25
  18. Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 30
  19. International Bureau of Weights and Measures: SI-esite, s. 152
  20. Taylor & Thompson: The International System of Units (SI), 2008, s. 47