Kilogramme - Définition

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Définitions

Définition actuelle

Vue d’artiste de l’étalon kilogramme en platine iridié.

Le kilogramme est actuellement défini comme la masse d’un cylindre en platine iridié (90 % platine et 10 % iridium) de 39,17 mm de diamètre et 39,17 mm de haut déclaré unité SI de masse depuis 1889 par le Bureau international des poids 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. Celui-ci est conservé sous trois cloches de verre 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) :

« Même si le repère cylindrique du kilogramme est abrité dans un coffre spécial, dans des conditions contrôlées au BIPM, sa masse peut dériver légèrement au fil des ans et il est sujet à des modifications de masse en raison de la contamination, la perte de matériau de surface par nettoyage, ou d’autres effets. Une propriété de la nature est, par définition, toujours la même et peut en théorie être mesurée n’importe où, alors que le kilogramme est accessible uniquement au BIPM et pourrait être endommagé ou détruit. »

Propositions de futures définitions

Sphère monocristalline d’un kilogramme de Silicium du Projet Avogadro à l’Australian Centre for Precision Optics.

Afin d’assurer la stabilité à long terme du système international d’unités, la 21e Conférence générale des poids et mesures, en 2000, a recommandé que « les laboratoires nationaux poursuivent leurs efforts pour affiner les expériences qui relient l’unité de masse à des constantes fondamentales ou atomiques et qui pourraient, dans l’avenir, servir de base à une nouvelle définition du kilogramme. »

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 ≡ 4,835 979×10+14 Hz/V et R ≡ 2,581 280 7×10+4 Ω) avec la définition de l’ampère afin de définir le kilogramme comme ceci :

« Le kilogramme est la masse qui subirait une accélération de précisément 2×10-7 m/s2 lorsqu’elle est soumise à la force par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance d’un mètre l’un de l’autre dans le vide, et à travers desquels passe un courant électrique constant d’exactement 624 150 962 915 265×1018 charges élémentaires par seconde. »

Ces unités sont aussi utilisées en physique relativiste comme unités d’énergie (via la relation E=mc2).

Il est possible que, lors de la prochaine convention du BIPM, le gramme soit défini comme unité dérivée, et la valeur de la constante de Planck (h) soit figée à : 6,62606901×10-34 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.

Une autre approche serait de se baser sur le poids d’un nombre défini d’atomes. Ce décompte n’est pas simple et pourrait être simplifié dans le cas d’un cristal pur permettant ainsi de connaître le nombre d’atomes par unité de volume. Des tentatives en ce sens ont été faites grâce à la fabrication d’une sphère (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 2010.

Une toute nouvelle définition du kilogramme a été proposée récemment :

« Le kilogramme vaut exactement la masse de : 5,018451491671326975321×1025 atomes de carbone 12. »
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