Определение единицы массы – килограмма – было дано III Генеральной конференцией по мерам и весам 1901 г. в следующем виде:
«Килограмм – единица массы – представлен массой международного прототипа килограмма».
При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы была принята масса 1 кг, равная массе 1 дм3 чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 oС).
В этот период были проведены точные измерения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.
Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.
В XIX в. было произведено повторное тщательное измерение массы 1 дм3 воды, при этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0,28 г) меньше массы прототипа Архива.
Для того, чтобы при дальнейших, более точных взвешиваниях, не менять значения единицы массы, Международной комиссией по эталонам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.
В 1883 г. были изготовлены 42 прототипа килограмма из платиноиридиевого сплава (90% платины и 10% иридия). Копии №12 и №26 получены по жребию Россией в 1889 г. согласно Метрической конвенции. Копия №12 стала государственным эталоном России. Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, г. С.–Петербург.
В настоящее время в состав государственного первичного эталона единицы массы России входят оба прототипа килограмма №12 и №26, набор эталонных гирь от 1до 500 г из платиноиридиевого сплава, эталонные весы номер 1 и номер 2 с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы от первичного эталона вторичным и рабочим эталонам. Эталонные весы имеют предел взвешивания 1 кг, 200, 25 и 3 г.
Государственный эталон единицы массы Украины включает в себя три гири номинальной массой 1 кг, изготовленные и аттестованные во ВНИИМ, Россия, а также:
– набор эталонных гирь от 1 до 500 г;
– эталонные весы-компаратор;
– эталонные автоматизированные весы собственной конструкции.
Несмотря на все предосторожности, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной гири России увеличилась на 0,02 мг. Объясняется это адсорбцией молекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверхность гири и образованием тонкой коррозионной пленки. В силу этого, а также ввиду значительных практических неудобств работы с прототипами, признано целесообразным искать пути создания естественного эталона килограмма. Сегодня такие работы ведутся в крупнейших метрологических центрах мира.
Одним из направлений исследований является идея использования в качестве эталона массы нейтрона.
Другое предложение основано на воспроизведении единицы массы через счетное число атомов какого-нибудь химического элемента, например изотопа кремния-28. Для этого необходимо точно определять число Авогадро через объем и молярную массу кремниевого артефакта, для чого применяются, соответственно оптико-рентгеновский интерферометр и специальные химические операции и масс-спектрометрические измерения.
Описаны результаты экспериментов по воспроизведению единицы массы с помощью фундаментальных констант на основе так называемых ваттовых весов. Оборудование, используемое в эксперименте, первоначально предназначено было для определение электрического ватта, но оказалось подходящим для определения постоянной Планка. Это оборудование включает в себя равноплечие весы, к одному плечу которых присоединена катушка, помещенная во внешнее магнитное поле, а другое – нагружено эталоном массы 1 кг. После уравновешивания весов катушка перемещается на некоторое расстояние от положения равновесия с постоянной скоростью, измеряемой лазерным интерферометром. В этом режиме измеряется наведенное напряжение в единицах, воспроизводимых на основе эффекта Джозефсона. Достигнутая неопределенность воспроизведения массы этим способом не превышает 8·10-8.
Перспективными считаются работы по созданию эталона массы на основе метода «левитирующей» массы (достигнутая неопределенность 10-5...10-6).
В РТВ ведутся работы по воспроизведению единицы массы посредством накопления ионов золота. Экспериментальное оборудование состоит из источника ионов, сепаратора массы, накопителя ионов и массокомпаратора. Достигнутая неопределенность измерений составляет 10-3.
К сожалению, результаты перечисленных исследований пока далеки от реального использования для создания эталона.