Kilogramma
Kilogramma (yksikön tunnus kg ), tai usein lyhyesti vain 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.
Kilogramma on ainoa SI-yksikköjärjestelmän perusyksikkö, joka ei perustu luonnonvakioihin vaan se on määritelty kilon painoisen prototyypin avulla. 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 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. CGPM määritteli kilogramman uudelleen marraskuussa 2018. Uusi määritelmä astuu voimaan 20. toukokuuta 2019.
Kuningas Ludvig XVI nimesi 1700-luvun lopulla tiedemiesryhmän pohtimaan uuden mittajärjestelmän perusteita. Ryhmä kehitti niin sanotun ”desimaalisen metrisen mittajärjestelmän”. Siinä kaikki suureet johdettiin pituusmitan "metrin" avulla ja niiden kerrannaiset määritettiin olevan kymmenjärjestelmä kerrannaisia. Massan yksikkö johdettiin desimetristä veden avulla. Kuutiodesimetri jäätymispisteessä olevaa vettä vastasi massaksi otettavaa perusyksikköä.
Ranskan vallankumouksen jälkeen tasavaltalainen hallitus jatkoi kuninkaan ideaa muutamin poikkeuksin. Esimerkiksi massan yksikkö ei jakanut suosiota, koska useimmat punnitukset tehtiin perusyksikköä pienemmillä 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". Vuonna 1875 kilogramman määritelmä lukittiin tuon kappaleen painoon. Sitä säilytetään Sèvresissä BIPM:in kellaritiloissa.
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 vuodessa.
Alkuperäisestä kilogramman prototyypistä valmistettiin kuusi muuta kopiota, joita säilytetään samassa kassakaapissa. Näiden lisäksi on valmistettu ruostumattomasta teräksestä kappale, jota voi kuljettaa eri maihin kalibroimaan sikäläistä kansallista prototyyppiä. Vuosien aikana on tehty runsaasti tutkimuksia prototyyppien käytöstä ja on huomattu, että riittävän herkillä vaaoilla seitsemän kappaleen painoissa on tapahtunut eriytymistä. Ne eivät säily samoin, vaikka niitä säilytetään huolella.
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 6,6260 · 10 Js. Käytännössä tämä Planckin vakioon perustuva mittanormaali voitaisiin toteuttaa sähkösuureiden kvanttinormaaleihin perustuen wattivaa’an avulla.
Vaikka näin sovittiin alustavasti vuonna 2011, on sille jätetty harkinta-aikaa ja lopullinen päätös kilogramman prototyypistä luopumisesta tehdään vasta Kansainvälisen paino- ja mittakomitean kokouksessa vuonna 2014.
Kilogramman uusi määritelmä astuu voimaan 20. toukokuuta 2019. 26. yleinen paino- ja mittakonferenssi (CGPM) äänesti aiheesta kokouksessaan 13.–16. marraskuuta 2018. Uudessa määritelmässä Planckin vakion arvo lukitaan siten, että se on täsmälleen 6,62607015 · 10 Js. Koska yksi joulesekunti on yksikkönä sama kuin yksi kilogramma kertaa neliömetri per sekunti (1 kg m s), määräytyy kilogramma jatkossa Planckin vakion, metrin ja sekunnin kautta. Samassa CGPM:n konferensissa 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). Kappaleen "K" massa tullaan jatkossa määrittämään kokeellisesti.
SI-järjestelmän sisällä on hyväksytty käytettäväksi myös (metrinen) tonni, joka lyhennetään t ja tarkoittaa 1 t = 1 000 kg = 10 kg. Vuonna 1879 sitä kutsuttiin nimellä "tonne", mutta on muuntunut Suomessa muotoon "tonni" myöhemmin. Englanninkielisissä maissa on käytössä nimitys "metric ton".
Pienet atomien massan kokoiset yksiköt on hyväksytty käytettäväksi SI-yksiköiden rinnalla. Ne ovat atomimassayksikkö, jossa 1 u = 1,66053886(28) · 10 kg, sekä dalton, jossa 1 Da = 1 u.
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 9,80665 m/s. Tälle voimayksikölle annettiin myöhemmin nimi kilopondi, ja siihen perustui useilla teknisillä aloilla 1970-luvulle saakka käytetty tekninen mittajärjestelmä.
Massasta on johdettu erilaisia johdannaisyksiköitä.
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 kg ei ole 1 μkg vaan 10 g = 1 mg eli milligramma.
Gramman kerrannaiset muodostetaan normaaliin tapaan seuraavasti.
Vaikka taulukossa gramma on lihavoitu, massan perusyksikkö ei siis ole gramma vaan kilogramma.
Periaatteessa mahdollisia mutta harvoin käytettyjä ovat lisäksi muun muassa dekagramma (10 g), hehtogramma (100 g), senttitonni (10 kg) ja desitonni (100 kg).