Kilogramme
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De l'eau pour le kilogramme
L'idée d'utiliser de l'eau pour définir l'unité de masse vient des babyloniens, pour qui un gramme était le poids d'un volume d'eau pure de la taille d'un cube d'un centimètre de côté.
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C'est lors de la création du système métrique, dans les années 1790, que le kilogramme a été redéfini en France à partir de l'eau. Une des difficultés rencontrées est qu'un même volume d'eau a une masse différente suivent la température. En effet, l'eau se dilate avec la chaleur et se condense avec le froid.
Il a donc été décidé de choisir comme référence l'état de densité maximale de l'eau, c'est-à-dire le point où l'eau est la plus dense. Cet état est atteint à environ 4°C.
 Pourquoi la densité maximale de l'eau est atteinte à 4°C et pas à 0°C?  Dans l'état solide, les molécules sont bien ordonnées et très proches les unes des autres. Dans l'état solide, les molécules sont désordonnées et peuvent bouger les unes par rapport aux autres, mais restent proches. Dans l'état gazeux, les molécules peuvent bouger rapidement dans toutes les directions et tendent à prendre le plus d'espace possible. Il semble donc logique que le maximum de densité pour un liquide soit atteint juste avant qu'il ne se solidifie. Or on sait que l'eau gèle à 0°C: le maximum de densité de l'eau devrait donc être atteint à 0°C! Mais ce n'est pas ce que l'on observe: lorsqu'on refroidit de l'eau liquide, sa densité augmente jusqu'à ce que la température atteigne environ 4°C. Et entre 4°C et 0°C, sa densité va diminuer! A 0°C, l'eau gèle, et prend plus de place que lorsqu'elle était liquide. D’où l’explosion de la bouteille! Cette anomalie est due à des ponts qui se forment entre les molécules, les liaisons hydrogènes. Des chaines de molécules vont alors se former, et la même quantité d'eau occupe plus de place dans l'état solide que dans l'état liquide. |
Ainsi, la référence n'est pas liée à la température mais à un changement d'état.
En 1799, le kilogramme a été défini comme la masse d'un décimètre cube (soit un litre) d'eau pure à son maximum de densité.
Etalon international
En 1889, lors de la première Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM), le prototype international devient l'unité de masse. Il s'agit d'un cylindre fait d'un alliage de platine et d'iridium, comme le mètre étalon présenté au même moment. 40 copies sont réalisées à Londres et distribuées aux différentes nations.
Le prototype international est conservé au Pavillon de Breteuil, à Sèvres, et n'est jamais utilisé pour modifier le moins possible sa masse.
Vers une nouvelle définition
Le kilogramme est la seule unité du système international à être encore définie à partir d'un étalon. Un des inconvénients est que la masse de l'étalon ne peut être absolument stable. Les prototypes nationaux sont comparés au prototype international tous les 50 ans environ, et on observe une dérive moyenne de [math]\displaystyle{ 50\mu g }[/math] depuis 1889. De plus on ne peut pas déterminer la variation de la masse de l'étalon international, puisqu'il est la référence.
Les scientifiques cherchent donc une définition "quantique" du kilogramme, afin qu'il y ait une stabilité à long terme.
La balance du Watt
Le kilogramme est lié à la constante de Planck, [math]\displaystyle{ h }[/math]. L'idée la nouvelle définition du kilogramme est la même que pour le mètre: la vitesse de la lumière a été définie comme constante, pour en déduire le même. Ici on cherche à définir [math]\displaystyle{ h }[/math] comme constante, pour en déduire le kilogramme.
La balance du Watt est un instrument très sophistiqué, dont l'idée principale réside dans le fait de comparer une puissance électrique et une puissance mécanique. Il existe seulement 5 balances du Watt dans le monde.
Le projet Avogadro
La mole est l'unité du SI pour la quantité de matière. Une mole représente un groupe de particules, comme des atomes ou des molécules. La mole est définie comme la quantité d'entités égale au nombre d'atomes contenus dans 12g de carbone 12. On appelle ce nombre le nombre d'Avogadro, noté [math]\displaystyle{ N_{A} }[/math].
On peut alors retourner le problème, comme pour le mètre, et définir le kilogramme comme la masse de [math]\displaystyle{ \frac{N_{A}\times 1000}{12} }[/math] atomes de carbone 12. Il faut alors déterminer la valeur de [math]\displaystyle{ N_{A} }[/math] le plus précisément possible.
Pour cela, les chercheurs ont fabriqué une sphère de silicium (symbole: Si) supposée de masse 1kg. Grâce à des instruments extrêmement précis, on peut déterminer le nombre d'atomes contenus dans la sphère.
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La valeur la plus précise actuellement est [math]\displaystyle{ N_{A}=(6,02214082\pm 0,00000018).10^{23} }[/math] particules par mole, soit environ 602 214 milliards de milliards de particules.
Bibliographie/Webographie
JEDRZEJEWSKI, Franck. Histoire universelle de la mesure. Ellipses éd. 2002. 416p. ISBN 2-7298-1106-0
GUEDJ, Denis. Le mètre du monde. Paris : Éd. du Seuil, 2000. 396 p. ISBN 978-2-7578-2490-0
HECHT, Eugene. Physique. Traduction de la 1ère édition américaine. éd. De Boeck Université, 1999. 1304 p. ISBN 2-7445-0018-6
BIPM: Sur la révision à venir du SI. [en ligne, consulté le 4 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://www.bipm.org/fr/measurement-units/new-si/>
La métrologie française: Balance du Watt [en ligne, consulté le 4 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://www.metrologie-francaise.fr/fr/dossiers/balance-watt.asp>
Institut fédéral de métrologie METAS: Comment la balance du watt fonctionne. [en ligne]. METinfo, Vol. 23, No. 1/2016. [consulté le 4 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://www.metas.ch/dam/data/metas/Dokumentation/METASPublikationen/metinfo/METinfo2016/Comment%20la%20balance%20du%20watt%20fonctionne.pdf>
NIST: Redefining the Kilogram: Silicon. [en ligne, consulté le 4 juillet 2016]. Disponible sur internet: <http://www.nist.gov/pml/si-redef/kg_new_silicon.cfm>