คำนิยามและความเป็นมาของหน่วยมวล
(Definition and Realization of the Unit of Mass)
ประเทศไทยในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เสนาบดีกระทรวงมหาดไทย เสนาบดีกระทรวงพระคลังและเสนาบดีกระทรวงนครบาล ประชุมปรึกษากันทำความเห็นเพื่อนำมาทูลเกล้าเสนอ (ถ้างง ก็ง่ายมากให้ย้อนกลับไปอ่าน “ประวัติการชั่งตวงวัดของประเทศไทย” เพราะผู้เขียนตัดฉากมาบางส่วนเพื่อความมัน) จนในที่สุดที่ประชุมทูลเกล้าฯ ถวายรายงานความเห็นเมื่อ พ.ศ.2454 ว่าประเทศไทยเราควรเข้าเป็นสมาชิกเพื่อรับเอาวิธีเมตริกมาใช้ ทั้งนี้เพื่อให้ระบบชั่งตวงวัดของประเทศสอดคล้องต้องกับประเทศอนารยะทั้งหลายรวมทั้งสภาพการติดต่อค้าขายของภูมิภาคและของโลกและได้ทรงพิจารณาเห็นชอบด้วย กระทรวงเกษตราธิการในสมัยสมเด็จพระเจ้าพี่ยาเธอกรมหลวงราชบุรีดิเรกฤทธิ์เป็นเสาบดีกระทรวงจึงได้แจ้งความจำนงไปยังรัฐบาลฝรั่งเศสเพื่อขอเข้าเป็นภาคีสมาชิกอนุสัญญาเมตริก (The International Metric Convention)
อนุสัญญาเมตริก (Convention du Mètre หรือ Metre Convention) หรือสนธิสัญญาเมตริกเป็นสนธิสัญญาระหว่างประเทศ (รูปที่ 1) ซึ่งเป็นความร่วมมือของรัฐบาล 17 ประเทศ (1. Argentina 2. Austria-Hungary 3. Belgium 4. Brazil 5. Denmark 6. France 7. Germany 8. Italy 9. Peru 10. Portugal 11. Russia 12. Spain 13. Sweden and Norway 14. Switzerland 15. Turkey 16.United States of America and 17. Venezuela) ที่เป็นสมาชิกก่อตั้ง The Metre Convention (สนธิสัญญาเมตริก) ได้ลงนามร่วมกันในสนธิสัญญาเมตริกจัดตั้งเมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2418 (ค.ศ. 1875) ที่ประเทศฝรั่งเศส พร้อมกับจัดตั้งหน่วยงานรองลงมาเพื่อปฏิบัติงานอีก 3 หน่วยงานได้แก่
รูปที่ 1 อนุสัญญาเมตริก (the Metric Convention)
1. General Conference on Weights and Measures ในชื่อฝรั่งเศส คือ Confèrence Gènèral des Poids et Mesures (CGPM) สำหรับการประชุมใหญ่ของประเทศสมาชิก
2. คณะกรรมการชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (International Committee on Weights and Measures ในชื่อฝรั่งเศสคือ The Comitè Internation des Poids et Mesure; CIPM) คณะกรรมการที่ถูกคัดเลือกจากประเทศสมาชิกเพื่อคอยกำกับการทำงานและทิศทางของ BIPM และ
3. สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (Bureau International des Poids et Measures; BIPM) ) ที่ประเทศฝรั่งเศส (ดูรูปที่ 2) โดยมีโครงสร้างการทำงานดังแสดงไว้ในรูปที่ 5
รูปที่ 2 สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (Bureau International des Poids et Measures; BIPM) ) ที่ประเทศฝรั่งเศส
ประเทศไทยได้เข้าเป็นภาคีสมาชิกอนุสัญญาเมตริกและรับเอาวิธีเมตริกมาเป็นหลักการชั่งตวงวัดของประเทศเมื่อ พ.ศ. 2455 (ค.ศ. 1912) เป็นต้นมาจนถึงปัจจุบัน จะเห็นได้ว่าประเทศไทยในสมัยเริ่มต้นก็ทันสมัยไม่น้อยเช่นกันอาจจะเป็นเพราะมีที่ปรึกษาราชการแผ่นดินเป็นคนฝรั่งเศสก็เป็นได้เพราะภายหลังอนุสัญญาเมตริก (The International Metric Convention) ก่อตั้งได้ในปี พ.ศ. 2418 (ค.ศ. 1875) ประเทศไทยเราก็ได้เข้าเป็นสมาชิกในปี พ.ศ. 2455 (ค.ศ. 1912) ถัดมาเพียง 37 ปีเอง แต่ในปัจจุบันเราน่าจะล้าหลังในเรื่องชั่งตวงวัดจากยุโรปอาจเป็น 100 ปี ก็ได้หรืออาจห่างกัน 37 ปีเท่าเดิมก็อาจเป็นได้ ใครจะไปรู้
The Metre Convention (สนธิสัญญาเมตริก) ถือเป็นสนธิสัญญาที่เก่าแก่เป็นอันดับที่ 2 ของโลก และกำหนดให้วันที่ 20 พฤษภาคม ของทุกปีเป็น “วันมาตรวิทยาโลก” (สนธิสัญญาเก่าแก่อันดับที่ 1 ของโลก: Strasbourg Agreement (1675) Banning the Use of Chemical Weapons)
รูปที่ 3 อนุสัญญาระบบเมตริก ณ วันที่ 22 ตุลาคม 2555 (2012) มีประเทศสมาชิก 54 Member States, 37 Associate States and Economies และ 4 International Organizations
โครงสร้างของหน่วยงานระดับสากลอนุสัญญาเมตริก (the Metric Convention) และ International coordination of Metrology ดังแสดงไว้ในรูปที่ 4 อาจจะเข้าใจภาพได้ชัดเจนมากยิ่งขึ้นและจะได้ทราบว่าองค์การนี้มีผลต่อโลกมนุษย์มากน้อยเพียงใด ก็ให้จับดูเอาเองครับ
ตั้งแต่การประชุมครั้งที่หนึ่งของที่ว่าการประชุมใหญ่ว่าด้วยมาตราชั่งตวงวัด (General Conference on Weights and Measures) ในชื่อฝรั่งเศสคือ Confèrence Gènèral des Poids et Mesures (CGPM) ในปี 1889 (พ.ศ. 2432) ได้สรุปและให้คำนิยามของหน่วยมวล (the unit of mass) ดังนี้
“The kilogram is the unit of a mass; it is equal to the mass of the international prototype of the kilogram”
รูปที่ 4 โครงสร้างของหน่วยงานระดับสากลอนุสัญญาเมตริก (the Metric Convention) และ International coordination of Metrology
รูปที่ 5 โครงสร้างของหน่วยงาน BIPM
รูปที่ 6 แบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัม (the international prototype of the kilogram) หรือคำย่อในอักษรอังกฤษ คือ IKP จัดเก็บไว้ภายในฝาครอบแก้ว (glass bell-jars) 3 ชั้น สำหรับจัดเก็บ IKP
เจ้าตัวแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัม (the international prototype of the kilogram) หรือคำย่อในอักษรอังกฤษ คือ IKP มีลักษณะเป็นทรงกระบอกสูง 39 มิลลิเมตรและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 39 มิลลิเมตรเช่นกัน ทำด้วยโลหะอัลลอย์ซึ่งมีส่วนประกอบด้วย Platinum จำนวน 90% และ Iridium จำนวน 10% เรียกชื่อในอักษรย่อของแร่ธาตุโดยรวม คือ Pt-Ir (Platinum-Iridium) มีความหนาแน่นมวลของแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัมมีค่าโดยประมาณ 21,500 kg/m3 (ดูรูปที่ 6) การที่มีการเลือกเอา Platinum-Iridium มาทำเป็น Prototype นั้นดูเหมือนจะได้มีการให้เหตุผลที่ว่า ความคงเส้นคงวาในเรื่องของตัวมวลของโลหะอัลลอย์ชนิดนี้น่าเชื่อถือได้ นอกจากนี้ในเรื่องของการทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมภายนอกของโลหะอัลลอย์ชนิด Platinum-Iridium มีน้อย (chemical passivity) อีกทั้งมีความหนาแน่นสูงมากส่งผลให้พื้นที่ผิวของชิ้นงานน้อยลง (very small geometrical surface area) ดังนั้นโอกาสที่มีผิวสัมผัสน้อยก็ยิ่งมีโอกาสทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมน้อยลงด้วยเช่นกันและเสริมด้วยการเก็บรักษาที่เอาใจใส่และมีคุณภาพก็ยิ่งสร้างความมั่นใจว่าในระยะยาวแล้วความเสถียรภาพของมวลจึงค่อนข้างมีสูง ในรูปที่ 6 เป็นแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัมนี้ถูกจัดเก็บภายในเยือกหรือฝาครอบแก้ว (glass bell-jars) 3 ชั้น รู้สึกว่าจะมีการ Vacuum อากาศภายในฝาครอบแก้วด้วย (ดูรูปที่ 8) ในปัจจุบันแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัมหรือ IKP ได้ถูกเก็บรักษาไว้เป็นอย่างดีที่ Bureau International des Poids et Measures (BIPM) หรือในชื่อภาษาอังกฤษว่า International Bureau of Weights and Mesures ณ เมือง Sèvres ใกล้กรุงปารีส
แบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัมนี้ได้ถูกผลิตโดยบริษัท Johnson, Matthey & Co. ในกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษในปี พ.ศ. 2422 (ค.ศ. 1879) จำนวน 3 ชิ้นด้วยกันคือ KI, KII และ KIIIปรากฏว่าชิ้นที่ 3 ถูกเลือกให้เป็น IKP เนื่องจากในปี พ.ศ. 2423 (ค.ศ. 1880) The Commision Mixte กับ M. Collot ได้ทำการปรับแต่งน้ำหนัก KI, KII และ KIIIหลายครั้งจนกระทั่งพบว่า KIII มีค่าเท่ากับ mass of “Kilogramme des Archives” ภายในช่วงของความไม่แน่นอนของการวัดในเศษส่วน 1000 ซึ่งต่อมาในปี พ.ศ. 2425 (ค.ศ. 1882) มวลหมายเลข KIII ได้ถูกนำไปจัดเก็บรักษาอย่างดีที่ BIPM ถึงตอนนี้ผู้เขียนอ่านไปอ่านมาก็ยอมรับว่ามึนเล็กน้อยเพราะต้องไปหาอ่านว่า mass of “Kilogramme des Archives” คือกะไรต่อ มาย้อนกลับไปตอนต้นนั้นเราให้หน่วยของมวล (mass) คือ “gram” โดย 1 gram มีค่าเท่ากับมวลของ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรของน้ำที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส แต่ในเวลาต่อมา ได้เปลี่ยนให้หน่วยของมวลเป็น “kilogram” มีค่าเป็นมวลของ 1 ลูกบาศก์เดซิเมตรของน้ำที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส จนในปี พ.ศ. 2342 (ค.ศ. 1799) ได้มีการทำมวลต้นแบบ (Prototype of the mass) ขึ้นโดยจัดเก็บไว้ในที่จัดเก็บเอกสารสำคัญ (archives) ของประเทศฝรั่งเศสแล้วยกเลิกนิยามเก่าดังกล่าว ด้วยเหตุนี้มวลต้นแบบ (Prototype of the mass) จึงได้มีชื่อว่า “Kilogramme des Archives” นั้นเอง
รูปที่ 7 เปรียบเทียบขนาดมวล 1 กิโลกรัมทำด้วย Stainless Steel (ทางซ้ายมือ) กับ มวล 1 กิโลกรัมทำด้วย Platinum (ทางขวามือ)
ในปี พ.ศ. 2426 (ค.ศ. 1883) International Committee on Weights and Measures ในชื่อฝรั่งเศสคือ The Comitè Internation des Poids et Mesure; CIPM ได้เลือกให้
“KIII” เป็น “
IKP” และต่อมา General Conference on Weights and Measures ในชื่อฝรั่งเศสคือ Confèrence Gènèral des Poids et Mesures (CGPM) ก็อนุมติให้เป็น
แบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัม (the international prototype of the kilogram; IKP) หลังจากนั้น
IKP ก็เป็นที่รู้จักเป็นทางการว่า
“มิสเตอร์ 
" ออจริงๆ แล้วรู้จักในรูปของอักษร
ชนิดตัวอักษร Gothic (the Gothic letter K) สำหรับ “
KI” นั้นถูกประกาศให้เป็น reference standard ในขณะที่ “
KII” ยังคงถูกจัดเก็บไว้เป็นอย่างดีในฝรั่งเศส
ในปี ค.ศ. 1884 (พ.ศ. 2427) บริษัทเดียวกันที่สร้าง
KI, KII และ
KIII นั้นคือ Johnson, Matthey & Co ได้ส่งแบบประถม 1 กิโลกรัมอีก 40 ลูกมายัง BIPM เพื่อทำการปรับแต่งน้ำหนักในช่วงระหว่างปี ค.ศ. 1885 ถึง ค.ศ. 1888 แบบประถม 1 กิโลกรัมทุกลูกจะมีการทำเครื่องหมายบนผิวชิ้นงานซึ่งจะเห็นเป็นรอยเครื่องหมายได้ก็ต่อเมื่อดูในมุมที่มีการสะท้อนของผิวชิ้นงาน ต่างจากแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัม (the international prototype of the kilogram;
IKP) ถึงแม้นเป็นที่รู้จักกันในนาม
มิสเตอร์ แต่ก็ไม่มีการทำเครื่องหมายลงบนผิวชิ้นงานแต่อย่างใด ขอบเขตที่ยอมให้ผลผิด (Tolerance Limit) ในการชั่งเปรียบเทียบแบบประถม 1 กิโลกรัมทั้ง 40 ชิ้นกับ
IKP นั้นจะยอมให้ไม่เกิน
±0.2 mg แต่เป็นการยากที่จะทำได้ ดังนั้นในการประชุมครั้งแรกของที่ว่าการประชุมใหญ่ว่าด้วยมาตราชั่งตวงวัด (General Conference on Weights and Measures) ในชื่อฝรั่งเศสคือ Confèrence Gènèral des Poids et Mesures (CGPM) ในปี พ.ศ. 2432 (ค.ศ. 1889) จึงกำหนดให้ขอบเขตที่ยอมให้ให้ผลผิด (Tolerance Llimit) เพิ่มขึ้นเป็น
±1.0 mg ทั้งหมด 42 แบบประถม (Prototypes) อีก 2 ลูกที่เพิ่มจาก 40 ลูก คือ
KI และ No.1 นั้นเอง
รูปที่ 8 ฝาครอบแก้ว (glass bell-jars) 3 ชั้น สำหรับจัดเก็บ IKP
รูปที่ 9 การจัดเก็บ
IKP ที่ BIPM ชั้นกลาง
IKP หรือ Mr.
สำหรับ 6 Reference standard (tèmoins) แบ่งเก็บไว้ชั้นบน No.43,
KI, No. 8(41) และชั้นล่างสุด No. 47, No. 7, No. 32
จากจำนวนทั้งหมด 42 แบบประถม (Prototypes) ในปี พ.ศ. 2432 (ค.ศ. 1889) นั้นจำนวน 30 ลูกจะถูกส่งไปกระจายไปยังประเทศสมาชิกและ BIPM รวมทั้ง 2 ลูกที่เกินมาจาก 40 ลูก คือ KI และ No.1 ซึ่งถือเป็น Reference Standard (tèmoins) ก็ถูกส่งไปเก็บรักษาที่ BIPM พร้อมกับ IKP ด้วย ประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมันได้ No. 22 และรัฐ Bavaria ได้ No. 15
ในปี พ.ศ. 2448 (ค.ศ. 1905) จำนวน Prototypes ใน BIPM เพิ่มขึ้นเป็น 4 ลูกคือ No. 8 และ No. 32 (KI , No. 1, No. 8 และ No. 32) แต่เนื่องจากมีความผิดพลาดในระหว่างขั้นตอนการผลิต No. 8 ถูกทำเครื่องหมายผิดไปกล่าวคือถูกทำเครื่องหมายเป็นหมายเลข 41 ดังนั้นจึงเรียก No. 8 เป็น No. 8(41) ในเวลาต่อมา
ในปี พ.ศ. 2468 (ค.ศ. 1925) มวล No. 7 ถูกใช้เป็น Reference Standard (tèmoins) แทนที่ No. 1 เนื่องจาก No. 1 เกิดความเสีย
ในปี พ.ศ. 2481 (ค.ศ. 1938) จำนวน Reference Standard (tèmoins) ที่ครอบครองด้วย BIPM ได้เพิ่มเป็น 6 ชิ้นโดยเพิ่ม No. 43 และ No. 47
แต่เนื่องจาก Working Prototype ของ BIPM จำนวน 2 ชิ้นคือหมายเลข No. 9 และ No. 31 มีการนำมาใช้บ่อยแล้วทำให้เป็นที่วิตกกังวลถึงความถูกต้องจึงกำหนดให้สามารถนำมาใช้ได้เพียง 1 ครั้งในรอบ 5 ปีดังนั้นในปี พ.ศ. 2501 (ค.ศ. 1958) ตัว Working Prototype ตัวใหม่ของ BIPM ก็มีเกิดขึ้นด้วยหมายเลข No. 25 สรุปแล้ว BIPM ครอบครอง Prototypes ทั้งหมด 6 Reference Standards (tèmoins) คือ KI, No. 7, No. 8(41), No. 32, No.43, No. 47 และมี 4 Working Prototypes คือ No. 9, No. 31 และ No. 25 ดังแสดงในรูปที่ 9
ในระหว่างปี พ.ศ. 2472 ถึง พ.ศ. 2536 (ค.ศ. 1929 ถึง ค.ศ. 1993) ได้มีการจัดทำ Prototypes เพิ่มขึ้นอีก 37 ชิ้นเพื่อแจกจ่ายให้กับประเทศที่เป็นสมาชิกตามอนุสัญญาเมตริก (the Metric convention) โดยตัวเลขเริ่มนับต่อเริ่มต้นเป็น No. 41 ถึง No. 77
ในปี พ.ศ. 2494 (ค.ศ. 1951) ประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมันได้ No. 52 ทดแทน No. 22 ที่เกิดความเสียหายไปในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 และได้รับเพิ่มอีก 1 ชิ้นคือ No. 55 ในปี พ.ศ. 2496 (ค.ศ. 1953) และต่อมา No. 55 ก็ถูกส่งมาเก็บรักษาที่ PTB ส่วน No. 15 ที่รัฐ Bavaria ได้ไปในหนังสือที่อ่านไม่มีการกล่าวถึงสงสัยสูญหายไปในสงครามโลกครั้งที่ 2 เช่นกัน ในปี พ.ศ. 2530 (ค.ศ. 1987) PTB ก็ได้เพิ่มมาอีก 1 ลูกคือ NO. 70 สรุปประเทศสมาชิกครอบครอง Kilogram Prototypes ที่ได้รับจาก BIPM และผลการเปรียบเทียบกับ IKP ดังในตารางที่ 1
ตารางที่ 1 สรุปประเทศสมาชิกครอบครอง Kilogram Prototype ที่ได้รับจาก BIPM และผลการเปรียบเทียบกับ IKP
ตารางที่ 2 ประเทศสมาชิกครอบครอง Kilogram Prototype ที่ได้รับจาก BIPM
เพื่อประกันว่ามวลน้ำหนักแบบมาตราที่เก็บรักษาไว้ที่ BIPM และประเทศสมาชิกจะสอดคล้องและน่าเชื่อถือ ทาง BIPM จึงจัดเทศการเก็บกวาด ออ...จัดให้มีการ Intercomparison ของ 42 Prototypes ในช่วงระหว่าง พ.ศ.2426 ถึง พ.ศ. 2431 (ค.ศ. 1883 ถึง ค.ศ. 1888) เพื่อใช้เป็นค่าอ้างอิงจากนั้นจึงจัดให้มีการตรวจสอบอีก 3 ครั้งจนถึงปัจจุบัน คือ
1. 1st Verification 1889–1911 (พ.ศ. 2432-2454): ดำเนินการไปโดยใช้ Prototype No. 1 เป็นตัวอ้างอิงโดยไม่ได้ใช้ “IKP”
2. 2nd Verification 1939 and 1946-1953 (พ.ศ. 2489-2496): เหตุที่ต้องทิ้งช่วงไปเพราะเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2
3. 3rd Verification 1989–1992 (พ.ศ. 2532-2535)
ดังนั้นเมื่อแต่ละประเทศสมาชิกได้รับ Kilogram Prototype และได้รับการรับรองจาก BIPM แล้ว ประเทศสมาชิกก็ต้องกลับไปถ่ายถอดตุ้มน้ำหนักแบบมาตราและจัดทำโครงสร้างแบบมาตราให้เหมาะสมกับประเทศของตนเอง เรามายกตัวอย่างการจัดทำโครงสร้างแบบมาตรามวลหรือมวลน้ำหนักแบบมาตราของประเทศที่พัฒนาไปมากแล้วนั้นคือสหพันธรัฐเยอรมนี ซึ่งได้รับ Kilogram Prototype No.52 จาก BIPM ซึ่งจริงๆ แล้วมีหลายตุ้มอยู่เช่น No. 70, No. 55 และ No. 22 (ดูรูปที่ 10) แต่สหพันธรัฐเยอรมนีเลือกมวล No. 52 เป็น “National Prototype” หรือ “มาตรฐานแห่งชาติด้านมวล” หรือหากจะเทียบกับบ้านเราก็คือ “แบบมาตราชั้นหนึ่ง” ตามพระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2542 จากนั้นเพื่อสะดวกต่อการใช้งานเค้าก็สร้างตุ้มน้ำหนักชั้นรองลงมาของประเทศนั้นคือจับเจ้า No 52 นั่งแท่นนิ่งๆ อย่าไปใช้งานเค้าแต่จะใช้งานเฉพาะเมื่อต้องถ่ายทอดแบบมาตราสำคัญๆ เท่านั้น ตุ้มน้ำหนักชั้นรองลงมาของประเทศนี้เขาให้ชื่อว่า “Primary Standard” จะมีหลายชุดก็ว่าได้แล้วแต่ความรวยทรัพย์และความจำเป็นของแต่ละประเทศ (ดูรูปที่ 11)
รูปที่ 10 แบบมาตรามวลแห่งชาติของสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี Prototype No. 52 เก็บรักษาไว้ที่ PTB (Braunschweig)
คราวนี้เราอย่ามึนกันนะครับว่าแล้วมวลที่เรียกว่า “National Primary Standard” มันจะมาจากการผสมคำของ “National Prototype” กับ “Primary Standard” ฮ่าๆๆ อย่างนี้เป็นวิวัฒนาการทางภาษานะครับ
สหพันธรัฐเยอรมนีได้จัดลำดับความสำคัญของโครงสร้างแบบมาตรามวลหรือมวลน้ำหนักแบบมาตราของประเทศดังแสดงไว้ในรูปที่ 12
รูปที่ 11 แบบมาตรามวลชั้น Primary standards 1 kg –10 kg ชั้นรองลงมาจาก “National Prototype” ของสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี
สำนักงานกลางชั่งตวงวัด กระทรวงพาณิชย์ได้มีประกาศกระทรวงพาณิชย์ เรื่องกำหนดแบบมาตราชั้นหนึ่งตามพระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2542 พ.ศ. 2550 ลงวันที่ 4 ม.ค. 2550 กำหนดให้มาตรฐานแห่งชาติด้านมวลคือตุ้มน้ำหนัก 1 กิโลกรัมต้นแบบระหว่างประเทศ (International prototype of the kilogram) หมายเลข 80 (ดูรูปที่ 13) ตามประกาศกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เรื่องกำหนดมาตรฐานแห่งชาติเกี่ยวกับหน่วยวัดปริมาณ เครื่องมือ อุปกรณ์และวัสดุอ้างอิงที่ใช้ในการวัดปริมาณ ลงวันที่ 13 ก.ย. 2549 ออกตามความใน พระราชบัญญัติพัฒนาระบบมาตรวิทยาแห่งชาติ พ.ศ. 2540 เป็นแบบมาตราชั้นหนึ่งทางมวลตามพระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2542
รูปที่ 12 Traceability ของแบบมาตรามวลแห่งชาติของสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนีซึ่งสามารถสอบกลับได้ถึงระบบหน่วยสากล (SI Unit) ซึ่งเก็บรักษาไว้ที่ BIPM
ส่วนประกาศกระทรวงฯ ฉบับอื่นๆที่กำหนดให้มีมวลนั้นมวลนี้เป็นมวลแบบมาตราชั้นหนึ่งทางมวลตามพระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2542 ในส่วนตัวของเราถือว่าขัดเจตนารมณ์พระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2542 ซึ่งถ่ายทอดเจตนารมณ์จากพระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2466 อันนี้ไม่รู้นักกฎหมายคิดอย่างไร ?
มาตรา 12 ของ พระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2542 บัญญํติแบบมาตราชั้นหนึ่ง โดย "สำนักงานมาตราชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ" = BIPM
มาตรา 12 ของ พระราชบัญญัติมาตราชั่งตวงวัด พ.ศ. 2466 บัญญํติแบบมาตราชั้นหนึ่ง โดย "สำนักงานมาตราชั่งตวงวัดของนานาประเทศ" = BIPM
แต่อยากบอกให้ทราบว่า ประเทศที่เจริญแล้วเค้ากำหนดให้มวลตุ้มน้ำหนัก 1 kg เพียงลูกเดียวเท่านั้นที่เป็นแบบมาตราแห่งชาติจากนั้นเค้าใช้ฝีมือในการถ่ายทอดแบบมาตราจาก 1 กิโลกรัมเป็นเป็น 2 กิโลกรัม 5 กิโลกรัม 10 กิโลกรัม และ....... ในทางกลับกันเค้าก็ใช้ฝีมือในการถ่ายทอดแบบมาตราจาก 1 กิโลกรัมเป็นเป็น 500 กรัม 200 กรัม 100 กรัม (ดูรูปที่ 15) และ .......ไม่มีการประกาศตุ้มชุดเป็นแบบมาตราชั้นหนึ่งแห่งชาติหรอก...มึนจริงๆ อยากเรียนรู้จริงๆ
รูปที่ 13 มาตรฐานแห่งชาติด้านมวล 1 กิโลกรัมต้นแบบระหว่างประเทศ (International prototype of the kilogram) หมายเลข 80 ตามประกาศกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
รูปที่ 14 Traceability ของแบบมาตรามวลหมายเลข 80 สามารถสอบกลับได้ถึงระบบหน่วยมวลสากล (Mass SI Unit) ซึ่งเก็บรักษาไว้ที่ BIPM
รูปที่ 15 ตัวอย่างการถ่ายทอดแบบมาตราจาก 1 กิโลกรัมเป็นเป็น 500 กรัม 200 กรัม 100 กรัม และ .....
ประเทศไทยได้รับตุ้มน้ำหนัก 1 กิโลกรัมต้นแบบระหว่างประเทศ (International prototype of the kilogram) หมายเลข 80 เมื่อ พ.ศ. 2539 (ค.ศ. 1996) ตามเอกสารอ้างอิง ดังในรูปที่ 16 และถูกเก็บไว้ที่สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (NIMT)
รูปที่ 16 “The SI unit of mass”, Richard Davis, Bureau International des Poids et Mesures, Metrologia 40 (2003) 299-305.
จากที่ทราบแล้วว่าแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัม (the international prototype of the kilogram) หรือคำย่อในอักษรอังกฤษ คือ
IKP ทำด้วยโลหะอัลลอย์ซึ่งมีส่วนประกอบด้วย Platinum จำนวน 90% และ Iridium จำนวน 10% เรียกชื่อในอักษรย่อของแร่ธาตุโดยรวม คือ Pt-Ir (Platinum-Iridium) ความหนาแน่นของแบบประถมสากลหน่วยกิโลกรัมมีค่าโดยประมาณ 21,500 kg/m
3 ถึงแม้ว่าโลหะอัลลอย์ชนิด Platinum-Iridium ทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมภายนอกน้อย (chemical passivity) ก็ตาม แต่ในความเป็นจริงแล้วด้วยเครื่องชั่งชนิด Mass Comparator ที่ทันสมัยสามารถตรวจสอบพบว่า Pt-Ir Prototype เปลี่ยนไปด้วยอัตราประมาณ 1 µg ต่อเดือนภายในช่วงเวลา 3-4 เดือนแรกหลังจากที่มีการทำความสะอาด และเนื่องจากกรรมวิธีในการผลิต การทำผิวในขั้นตอนสุดท้ายและสภาวะแวดล้อมเราพบว่าน้ำหนักของ Pt-Ir Prototype มีการเพิ่มขึ้นตลอดเวลาและเมื่อล้างทำความสะอาดแล้วก็สามารถลดน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นได้ส่วนหนึ่ง (reversible increase in mass;
m
r) ประมาณ 0.5 –3 µg ต่อปี แต่ยังมีน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นและไม่สามารถลดลง (irreversible increase in mass;
m
i) ประมาณ 0.1 – 1.0 µg ต่อปีหลังจากทำความสะอาดแล้วอีกส่วนหนึ่งด้วยเช่นกัน ดูรูปที่ 17 และรูปที่ 18 แต่ในอนาคตประมาณปี ค.ศ. 2018 มวล
IPK หรือ Mr.
อาจถูกยกเลิกการใช้งานแล้วใช้ Avogadro and molar Planck constants แทนสำหรับการนิยามหน่วยมวล (the unit of mass) มวล 1 kilogram ก็ค่อยๆว่ากันต่อไป
รูปที่ 17 แสดงการเปลี่ยนแปลงในมวลของ kilogram prototype หมายเลข 52 ที่ครอบครองโดย PTB เมื่อเวลาผ่านไปจะเพิ่มขึ้นและเมื่อทำความสะอาดแล้วนำกลับไปสอบเทียบใหม่จะพบว่ามวล 1 กก.มีน้ำหนักลดลงมาบ้างเล็กน้อย
รูปที่ 18 แสดงการเปลี่ยนแปลงในมวลของ kilogram prototype หมายเลข 20 ที่ครอบครองโดย NIST (U.S.A)
รูปที่ 19 เครื่องมืออุปกรณ์ที่ใช้ล้างตุ้มน้ำหนักแบบมาตรา platinum-iridium prototypes ด้วยไอ Alcohol และไอน้ำพ่นโดยตรงไปยังตุ้มน้ำหนักแบบมาตรา ของ BIPM ในช่วงปี ค.ศ. 1882 -1889
รูปที่ 20 เครื่องมืออุปกรณ์ที่ใช้ล้างตุ้มน้ำหนักแบบมาตรา Platinum-iridium Prototypes (E) ของ BIPM ในยุคหนึ่ง Prototype (E) จะถูกวางไว้บนถาดวางตุ้มน้ำหนักแบบมาตราทำด้วย platinum-iridium (D) โดยมีเครื่องผลิตไอน้ำประกอบด้วย Pyrex flask (B) ขนาด 1 ลิตรบรรจุน้ำกลั่น 2 ครั้ง (bi-distilled water) ถูกทำให้ร้อนด้วยเตาไฟฟ้า 350 Watts เพื่อผลิตไอน้ำด้วยอัตรา 0.5 l/h. เมื่อน้ำถูกทำให้ร้อนจนกลายเป็นไอ ไอน้ำจะถูกส่งผ่านท่อที่ปลายท่อทำเป็น Orifice ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 มิลลิเมตรพ่นตรงไปยังตุ้มน้ำหนักแบบมาตรา Platinum-iridium Prototypes (E) โดยระยะห่างระหว่างผิว Prototype (E) กับปลายพ่นไอน้ำห่างกันประมาณ 5 มิลลิเมตรตลอดเวลา น้ำที่กลั่นตัวลงมาจะถูกสะสม ณ ถาดรองน้ำ (C) และระบายออกไป ทั้งนี้ตลอดเวลาเราสามารถหมุนถาดวางได้ตลอดเวลาและสามารถเลื่อนขึ้นลงได้ 4 ทิศทางด้วยเช่นกัน
รูปที่ 21 ทำความสะอาดด้วยมือโดยใช้หนัง chamois ซึ่งแช่ไว้ในสารละลายที่มีส่วนผสมเท่ากันระหว่าง ethanol และ ether เป็นเวลา 48 ชั่วโมง เริ่มต้นทำความสะอาดบริเวณฐาน
รูปที่ 22 ทำความสะอาดด้วยมือโดยใช้หนัง chamois ซึ่งแช่ไว้ในสารละลายที่มีส่วนผสมเท่ากันระหว่าง ethanol และ ether เป็นเวลา 48 ชั่วโมง ทำความสะอาดบริเวณ cylindrical surface.
รูปที่ 23 ล้างฐานซึ่งวัสดุทำด้วย platinum-iridium สำหรับวางตุ้มน้ำหนักแบบมาตราด้วยไอน้ำ
รูปที่ 24 ใช้คีมยกตุ้มน้ำหนักแบบมาตราโดยห่อหุ้มคีมด้วยชั้นในเป็นหนัง chamois ส่วนชั้นนอกเป็น lens tissue ที่ใช้ทำความสะอาดเลนส์
รูปที่ 25 ภาพรวมของเครื่องมืออุปกรณ์
รูปที่ 26 ปล่อยให้ไอน้ำพ่นให้ทั่วบริเวณผิวฐานของ prototype.
รูปที่ 27 ให้ไอน้ำพ่นให้ทั่วบริเวณผิวบริเวณส่วนผิวทรงกระบอกของ prototype พร้อมหมุนฐานให้ prototype เคลื่อนที่ขึ้นลง เมื่อครบ 15 -20 นาทีให้ใช้ขอบกระดาษซับแตะหยดน้ำที่จับตัวบริเวณผิวให้หยดน้ำถูกดึงออกจากผิวตุ้มด้วย Capillary action เท่านั้น
รูปที่ 28 ใช้ลมที่ผ่านการบำบัดอย่างดีเป่าไล่ความชื้นบริเวณผิวตุ้ม
รูปที่ 29 ยกตุ้มนำมาวางพักบนฐานแก้วที่ทำด้วย Pyrex disk หลังจากล้างเสร็จ
รูปที่ 30 เอา a bell jar ครอบตุ้ม Prototype
รูปที่ 31 การเปลี่ยนแปลงมวล
Dm ที่พบหลังจากทำความสะอาดและล้าง Pt-Ir prototypes 1 กิโลกรัมแล้วเสร็จถูกนำมาเขียนกราฟเทียบกับระยะเวลาเป็นจำนวนปี โดย BIPM แสดงให้เห็นว่า Pt-Ir prototypes “
” เปลี่ยนแปลงไปประมาณ 50 µg ในรอบ 100 ปี
รูปที่ 32 BIPM จัดให้มีจัดให้มีการ Intercomparison และ1
st and 2
nd Verification พบการเปลี่ยนแปลงมวล
m ของ the international prototype
, 6 Reference standard (tèmoins) (No.43,
KI, No. 8(41), No. 47, No. 7, No. 32) และ No. 25 หลังจากทำความสะอาดและล้าง
Reference
1 Manfred Kochsiek, Michael Glaser, Comprehensive Mass Metrology, © WILEY-VCH Verlag Berlin GmbH, Berlin (Federal Republic of Germany), 2000
2. G. Girard, The Washing and Cleaning of Kilogram Prototypes at the BIPM, Bureau International Des Poids Et Mesures, 1990
3. Dr Philippe RICHARD, On the redefinition of the kilogram, Federal Institute of Metrology METAS,Switzerland,,2016
4. Richard S. Davis, What Is a Kilogram in the Revised International System of Units (SI)?, DOI: 10.1021/acs.jchemed.5b00285, J. Chem. Educ. 2015, 92, 1604−1609
5. Z. J. Jabbour and S. L. Yaniv, The Kilogram and Measurements of Mass and Force, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, Volume 106, Number 1, January–February 2001
6. Zeina J. Kubarych and Patrick J. Abbott, The Dissemination of Mass in the United States: Results and Implications of Recent BIPM Calibrations of US National Prototype Kilograms, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, Volume 119 (March 12, 2014)
7. Frank E. Jones, Randall M. Schoonover, Hand Book of Mass Measurement, CRC Press LLC, 2002
8. จรินทร, สาธิต, นานาสาระชั่งตวงวัด, สำนักงานกลางชั่งตวงวัด, กระทรวงพาณิชย์
ชั่งตวงวัด; GOM MOC
นนทบุรี
4 เมษายน 2560