La masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur...) étalon représentant le kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).)

Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).

Historique

Le gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS....) a été introduit lors de l’unification des mesures régionales décidée pendant la Révolution française par la loi du 18 germinal an III (7 avril 1795), art. VI ds Bulletin des lois, 1^re série, no 135. C'est un des éléments de la triade "longueur-poids-volume" : décimètre-(kilo)gramme-litre de cette unification.

Le gramme était initialement défini comme la masse d’un centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) cube (En géométrie élémentaire, un cube est un prisme dont les côtés sont tous égaux. Les cubes figurent parmi les solides...) d’eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un...) à la température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...) de 4°C, qui correspond à un maximum de densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume...).

Le 22 juin 1799, un étalon en platine d’un kilogramme (nom originel, le grave), soit la masse d’un décimètre (Un décimètre (symbole dm) vaut 10-1 = 0,1 mètre.) cube d’eau, fut déposé (ainsi qu’un étalon du mètre) aux Archives de France, grâce aux précédents travaux de divers savants, en particulier Lavoisier (guillotiné en 1794).

Cet étalon devint par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les...) la représentation du kilogramme (mille grammes) par la loi du 10 décembre 1799.

Ce n’est qu’en 1875, cependant, que l’unité de masse fut redéfinie comme « kilogramme », qui devint ainsi la seule unité du SI incluant un préfixe multiplicateur.

Un nouvel étalon en platine irridié de masse pratiquement identique au Kilogramme des Archives devait être réalisé dès 1875, mais la coulée fut rejetée car la proportion d’iridium, 11,1 %, se trouvait en dehors des 9 - 11 % spécifiés. Ce n’est qu’en 1889 que le Kilogramme des Archives fut remplacé par le prototype international du kilogramme, conservé depuis cette date au pavillon de Breteuil.

Définitions

Définition actuelle

Le kilogramme est actuellement défini comme la masse d’un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point...) en platine iridié (90 % platine et 10 % iridium) de 39 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du...) et 39 mm de haut déclaré unité SI de masse depuis 1889 par le Bureau international des poids (Le poids d'un corps nu ou force de pesanteur est la force exercée sur un corps (de masse m) immobile dans le...) et mesures (BIPM).

Cette unité de mesure est la dernière du SI à être définie au moyen d’un étalon matériel fabriqué par l'homme, c’est-à-dire un artefact (Un artéfact ou artefact est un effet (lat. factum) artificiel (lat. ars, artis ). Le terme artéfact désigne à l'origine...). Celui-ci est conservé sous trois cloches de verre (Dans le langage courant, le mot verre sert à désigner un matériau dur, fragile (cassant) et transparent.) scellées dont il n’est extrait que pour réaliser des étalonnages (opération qui n'a eu lieu que trois fois depuis sa création).

Malgré ces précautions, la masse du prototype a déjà varié de quelques microgrammes.

Selon James Clerk Maxwell (1831 - 1879) :

Even though the kilogram cylinder is housed in a special vault under controlled conditions at the BIPM, its mass can drift slightly over the years and it is subject to changes in mass because of contamination, material loss from surface cleaning, or other effects. A property of nature is, by definition, always the same and can in theory be measured anywhere, whereas the kilogram is accessible only at BIPM and could be damaged or destroyed.

Propositions de futures définitions

Depuis que le SI a défini les valeurs des constantes de Josephson (CIPM (1988) Recommandation 1, PV 56; 19) et von Klitzing (CIPM (1988), Recommandation 2, PV 56; 20), il est possible de combiner ces valeurs (K_J ≡ 4,835 979 x 10⁺¹⁴ Hz/V et R_K ≡ 2,581 280 7 x 10⁺⁴ Ω) avec la définition de l'ampère (Ampère peut désigner :) afin de définir le kilogramme comme ceci :

Le kilogramme est la masse qui subirait une accélération (Dans la vie courante, on distingue trois événements que le physicien regroupe sous le seul concept d'accélération :) de précisément 2 x 10^-7 m/s² lorsqu'elle est soumise à la force par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini...) entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur (La longueur d’un objet représente la distance entre deux de ses extrémités, les plus éloignées possibles. Lorsque...) infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance de un mètre l'un de l'autre dans le vide (Le vide est avant tout un concept philosophique. Il désigne l'absence de matière.), et à travers desquels passe un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) constant d’exactement 6,241 509 629.152 65 x 10¹⁸ charges élémentaires par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à...).

Ces unités sont aussi utilisées en physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...) relativiste comme unités d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...) (via la relation E=mc²).

Il est probable que, à la prochaine convention du BIPM, en octobre 2007, à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville...), le gramme sera défini comme unité dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend,...), et la valeur de la constante de Planck (h) sera figée à : 6,626 069 01 x 10^-34 J.s

Cela dépendra de la précision améliorée de la balance du watt et de sa concordance avec la précision améliorée de la mesure de la masse d'une mole de silicium très pur, ce qui dépend de la précision du mètre « rayons X », qui pourra s'améliorer via les travaux du physicien Theodor W. Hänsch ^{[1] [2]}.

Une autre approche serait de se baser sur le poids d'un nombre défini d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...). Ce décompte n'est pas simple et pourrait être simplifié dans le cas d'un cristal pur permettant ainsi de connaitre le nombre d'atomes par unité de volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois...). Des tentatives en ce sens ont été faite grâce à la fabrication d'une sphère (Une sphère est une surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d'un point appelé...) (relativement facile à usiner) de silicium, en tenant compte de la proportion des différents isotopes. La précision ainsi obtenue est de 3 sur 10 millions. Une boule de silicium 28 pourrait atteindre une précision de 2 pour 100 millions à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou...) 2010^[3].

Multiples, sous-multiples et autres unités

Comme l’unité de base « kilogramme » comporte déjà un préfixe, les préfixes SI sont ajoutés par exception au mot « gramme » ou à son symbole g, bien que le gramme ne soit qu’un sous-multiple du kilogramme (1 g = 10^-3 kg).

Par exemple :

• 1 mégagramme (Mg) = 1 000 kg ;
• 1 milligramme (mg) = 0,000 001 kg.

Dans les anciens livres, seuls les multiples et sous-multiples du kilogramme sont utilisés :

• myriagramme (mag) : 1 mag = 10 kg ;
• myriogramme (mog) : 1 mog = 0,000 000 1 kg (= 100 µg).

Dans la pratique, seuls les multiples du kilogramme sont utilisés :

• kilogramme (kg) : 1 kg = 1 kg ;
• mégagramme (Mg) : 1 Mg = 1 000 kg ;
• gigagramme (Gg) : 1 Gg = 1 000 000 kg = 10⁶ kg ;
• téragramme (Tg) : 1 Tg = 1 000 000 000 kg = 10⁹ kg ;
• pétagramme (Pg) : 1 Pg = 10¹² kg ;
• exagramme (Eg) : 1 Eg = 10¹⁵ kg;
• zettagramme (Zg) : 1 Zg = 10¹⁸ kg ;
• yottagramme (Yg) : 1 Yg = 10²¹ kg.

Dans la pratique, seuls les sous-multiples du kilogramme sont utilisés (les unités en italiques sont peu usitées) :

• kilogramme (kg) : 1 kg = 1 kg ;
• hectogramme (hg) 1 hg = 0,1 kg ;
• décagramme (dag) : 1 dag = 0,01 kg ;
• gramme (g) : 1 g = 0,001 kg ;
• décigramme (dg) : 1 dg = 0,000 1 kg ;
• centigramme (cg) 1 cg = 0,000 01 kg ;
• milligramme (mg) : 1 mg = 0,000 001 kg = 10^-6 kg ;
• microgramme (µg) : 1 µg = 0,000 000 001 kg = 10^-9 kg ;
• nanogramme (ng) : 1 ng = 10^-12 kg ;
• picogramme (pg) : 1 pg = 10^-15 kg;
• femtogramme (fg) : 1 fg = 10^-18 kg ;
• attogramme (ag) : 1 ag = 10^-21 kg ;
• zeptogramme (zg) : 1 zg = 10^-24 kg ;
• yoctogramme (yg) : 1 yg = 10^-27 kg.

On utilise également couramment des noms d'unités anciennes, mais arrondies à des valeurs « exactes »

• la livre : 1 lb = 0,5 kg, 1 kg = 2 lb ;
• le grave : 1 G = 1 kg, 1 kg = 1 G ;
• le quintal : 1 q = 100 kg, 1 kg = 0,01 q ;
• la tonne : 1 t = 1 000 kg, 1 kg = 0,001 t.

Les unités anglo-saxonnes sont assez largement utilisées de par le monde (Le mot monde peut désigner :). On utilise couramment les unités du système avoirdupois (av), et, dans certains cas spécifiques, les unités du système troy (t) : médicaments et métaux précieux.

• Système avoirdupois
  • livre (lb av) : 1 lb av = 0,453 592 37, 1 kg = 2,204 622 6 lb av
  • once (Once (prononciation : /?~s) est un mot pouvant avoir plusieurs sens.) (oz av) : 1 oz av = 0,028 349 523 125 kg, 1 kg = 35,273 961 950 oz av
• Système troy
  • livre (lb t) : 1 lb t = 0,373 241 721 6 kg, 1 kg = 2,679 228 881 lb t
  • once (oz t) : 1 oz av = 0,031 103 476 8 kg, 1 kg = 32,150 747 oz t

La table ci-dessous indique les correspondances entre les unités ; les valeurs en italiques indiquent les croisement entre les systèmes anglo-saxons.