Kilogramma

Kilogramma (yksikön tunnus kg ), 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

Kilogramman nykyisen määritelmän vahvisti kahdeskymmeneskuudes yleinen paino- ja mittakonferenssi vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019.
Kilogramma on määritelty antamalla Planckin vakiolle (h) tarkka numeerinen arvo; 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J⋅s, 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.
Käytännössä tämä Planckin vakioon perustuva mittanormaali voidaan toteuttaa sähkösuureiden kvanttinormaaleihin perustuen wattivaa’an avulla.
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.

Historia

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. 
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.
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  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.
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.
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

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.

Siirtyminen uuteen määritelmään

Vuonna 1999 esitettiin 21. CGPM:n konferenssissa kehotus kehittää menetelmä kiinnittää massan perusyksikkö luonnonvakioihin, jotta prototyypin epästabilisuudesta johtuvista ongelmista päästäisiin eroon.
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. Kilogramman uusi määritelmä astui voimaan 20. toukokuuta 2019. 26. yleinen paino- ja mittakonferenssi (CGPM) äänesti aiheesta kokouksessaan 13.–16. marraskuuta 2018.
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.

Muita massan yksiköitä

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.  
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.