物理単位の基準は、科学の発展や技術の進歩とともに進化を遂げてきた。その中でも、国際キログラム原器（IPK）は、重さの定義において重要な役割を果たしてきた。
本記事では、IPKが直面した課題や、2019年に行われた新しいキログラム定義への移行について詳述する。
国際キログラム原器とは何か？
国際キログラム原器（IPK）は、1889年に国際単位系（SI）の基準として採用された円柱状の金属ブロックである。この原器は、白金とイリジウムの合金から作られ、当時の科学技術を駆使して製造された。IPKの役割は、「1キログラム」という質量の基準そのものを物理的に具現化することであった。
IPKはフランスのセーヴルにある国際度量衡局（BIPM）で厳重に保管され、世界各国に配布された複製品との比較を通じて、精度が維持されていた。しかし、IPKの質量にはわずかな変化が観測されており、これが重さの基準としてのIPKの信頼性に疑問を投げかけた。
IPKが直面した問題：質量の変化
IPKの質量変化は1年間で約5×10⁻⁷グラム（0.5マイクログラム）とされている。これが極めて小さい値であったとしても、基準としての絶対性を求める科学の世界では看過できない問題であった。
原因は以下のような可能性が考えられる。
- 化学的要因
IPKは白金とイリジウムという安定性の高い材料で作られているが、それでも表面に化学的な反応が起こる可能性がある。 - 環境要因
大気中の微粒子の付着や摩耗、または清掃プロセスが質量変化を引き起こすと考えられている。 - 複製品との比較不一致
他国の標準器との相対的な差が定期的に観測され、IPKの信頼性への懸念が高まった。
これらの理由から、BIPMではIPKの代わりに、物理的な原器に依存しない新しいキログラムの定義が求められるようになった。
新しいキログラム定義：プランク定数を用いた革新
2019年、国際度量衡総会においてキログラムの定義が改訂された。この新しい定義では、プランク定数（h）が使用され、重さの基準が物理定数に基づくものへと変わった。
プランク定数とは？
プランク定数（h）は、量子力学の基本定数であり、エネルギーと周波数の関係を示すものである。この値は、実験を通じて極めて高い精度で測定されており、物理的な不変性を持つ。
定義の詳細
キログラムは、プランク定数の固定値と、光速やセシウム原子の振動数といった他の基本定数を用いて定義されるようになった。この方法により、物理的な物体の変化に依存せず、安定した基準が得られる。
新しい定義がもたらす影響
新しいキログラム定義は、科学や産業界において以下のような利点をもたらしている。
- 測定精度の向上
物理定数に基づくため、長期的な安定性が保証される。 - グローバルな統一性
IPKの複製品間のばらつき問題が解消され、各国の計量基準がより一致する。 - 研究と産業応用の促進
ナノスケールの計測や精密医療など、極めて小さな質量を扱う分野での応用が期待される。
練習問題
問題1: キログラムの新しい定義に基づいている定数は何か？
- a) 光速
- b) プランク定数
- c) ボルツマン定数
- d) アボガドロ数
解答: b) プランク定数
解説: 2019年以降のキログラムはプランク定数を基準に定義されている。
問題2: IPKの質量変化の原因として考えられる要因はどれか？
- a) 地球の公転速度の変化
- b) 大気中の微粒子の付着
- c) 白金の密度変化
- d) 重力加速度の変化
解答: b) 大気中の微粒子の付着
解説: IPKの質量変化の原因として、大気中の微粒子や清掃作業による影響が考えられる。
問題3: キログラムの新しい定義が採用された年はいつか？
- a) 1889年
- b) 1960年
- c) 2019年
- d) 2022年
解答: c) 2019年
解説: 2019年に国際度量衡総会でキログラムの新しい定義が採用された。
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