Основные единицы СИ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Семь основных единиц и зависимость их определений

Основные единицы Международной системы единиц (СИ) – семь единиц измерения основных величин Международной системы величин (фр. International Système de grandeurs, англ. International System of Quantities, ISQ), принятые Генеральной конференцией по мерам и весам. Основными величинами Международной системы величин являются длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Единицы измерения для них — основные единицы СИметр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела, соответственно[1][2].

Полное официальное описание основных единиц СИ, а также СИ в целом вместе с её толкованием, содержится в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI, англ. The SI Brochure) и в дополнении к ней, опубликованных Международным бюро мер и весов (МБМВ) и представленных на сайте МБМВ[1][3].

Остальные единицы СИ являются производными и образуются из основных с помощью уравнений, связывающих друг с другом физические величины Международной системы величин.

Основная единица может использоваться и для производной величины той же размерности. Например, количество осадков определяется как частное от деления объёма на площадь и в СИ выражается в метрах. В этом случае метр используется в качестве когерентной производной единицы[2][4].

Наименования и обозначения основных единиц, так же как и всех других единиц СИ, пишутся маленькими буквами (например, метр и его обозначение м). У этого правила есть исключение: обозначения единиц, названных фамилиями учёных, пишутся с заглавной буквы (например, ампер обозначается символом А).

Основные единицы[править | править вики-текст]

В таблице представлены все основные единицы СИ вместе с их определениями, обозначениями, физическими величинами, к которым они относятся, а также с кратким обоснованием их происхождения.

Основные единицы СИ
Единица Обозначение Величина Определение[5]
Историческое происхождение, обоснование
Метр м Длина Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.
XVII Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) (1983 г, Резолюция 1)
110 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа.
Килограмм кг Масса Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.
I ГКМВ (1899 г.) и III ГКМВ (1901 г.)
Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
Секунда с Время Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
XIII ГКМВ (1967 г., Резолюция 1)
«В покое при 0 К при отсутствии возмущения внешними полями»
(Добавлено в 1997 году)
День делится на 24 часа, каждый час делится на 60 минут, каждая минута делится на 60 секунд.
Секунда это — 1(24 × 60 × 60) часть дня
Ампер А Сила электрического тока Ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютонов.
Международный комитет мер и весов (1946 г., Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ в 1948 г.)
Кельвин К Термодинамическая Температура Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
XIII ГКМВ (1967 г., Резолюция 4)
В 2005 г. Международный комитет мер и весов установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды: 0,00015576 моля 2H на один моль 1Н, 0,0003799 моля 17О на один моль 16О и 0,0020052 моля 18О на один моль 16О[1].
Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия, но 0 кельвинов — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15[5]: °C = K — 273,15.
Моль моль Количество вещества Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы (оговорены) и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
XIV ГКМВ (1971 г., Резолюция 3)
Кандела кд Сила света Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср.
XVI ГКМВ (1979 г., Резолюция 3)

Совершенствование системы единиц[править | править вики-текст]

С момента принятия Метрической конвенции в 1875 году определения основных единиц измерения несколько раз изменялись. С переопределения метра (1960 год) килограмм остался последней единицей, которая определяется не как свойство природы, а как физический артефакт. Тем не менее, поскольку моль, ампер и кандела привязаны к килограмму, то и они оказываются привязанными к изготовленному людьми эталону килограмма. Длительное время метрология искала пути для определения килограмма на основе фундаментальных физических констант, так же, как метр определяется через скорость света.

XXI Генеральная конференция по мерам и весам (1999 год) рекомендовала в XXI веке «Национальным лабораториям продолжить исследования для привязки массы к фундаментальным или массовым константам для определения массы килограмма». Большинство ожиданий при этом связывалось с постоянной Планка и числом Авогадро.

В 2005 году Международный комитет мер и весов (МКМВ), утвердив подготовку к новым определениям килограмма, ампера и кельвина, также отметил возможность нового определения моля, основанного на числе Авогадро[6]. В 2007 году 23-я Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) решила отложить узаконивание любых изменений до следующей конференции в 2011 году[7].

В пояснительной записке, адресованной МКМВ в октябре 2009 года[8], президент консультативного совета МКМВ по единицам перечислил неопределённости физических фундаментальных констант при использовании текущих определений и тех, какими эти неопределённости станут при использовании новых предложенных определений единиц. Он рекомендовал МКМВ принять предложенные изменения в «определении килограмма, ампера, кельвина и моля, чтобы они выражались через величины фундаментальных констант h[9], e[10], k[11], и NA[12]».

XXIV Генеральная конференция по мерам и весам[править | править вики-текст]

На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 17—21 октября 2011 года была принята Резолюция, в соответствии с которой предполагается в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить основные единицы таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах (эталонах), а на фундаментальных физических константах или свойствах атомов, численные значения которых фиксируются и полагаются точными по определению[13][14].

Килограмм, ампер, кельвин, моль[править | править вики-текст]

В соответствии с решениями XXIV ГКМВ наиболее важные изменения должны затронуть четыре основные единицы СИ: килограмм, ампер, кельвин и моль. Новые определения этих единиц будут базироваться на фиксированных численных значениях следующих фундаментальных физических постоянных: постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и числа Авогадро, соответственно. Всем этим величинам будут приписаны точные значения, основанные на результатах наиболее точных измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA).

В Резолюции сформулированы следующие положения, касающиеся этих единиц[13]:

  • Килограмм останется единицей массы; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Планка равным в точности 6,626 06X·10−34, когда она выражена единицей СИ м2·кг·с−1, что эквивалентно Дж·с.
  • Ампер останется единицей силы электрического тока; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения элементарного электрического заряда равным в точности 1,602 17X·10−19, когда он выражен единицей СИ с·А, что эквивалентно Кл.
  • Кельвин останется единицей термодинамической температуры; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности 1,380 6X·10−23, когда она выражена единицей СИ м−2·кг·с−2·К−1, что эквивалентно Дж·К−1.
  • Моль останется единицей количества вещества; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Авогадро равным в точности 6,022 14X·1023 моль−1, когда она выражена единицей СИ моль−1.

Выше и далее Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.

Метр, секунда, кандела[править | править вики-текст]

Определения метра и секунды уже в настоящее время связаны с точными значениями таких постоянных, как скорость света и величина расщепления основного состояния атома цезия, соответственно. Существующее определение канделы хотя и не привязано к какой-либо фундаментальной постоянной, тем не менее, также может рассматриваться как связанное с точным значением инварианта природы. Исходя из сказанного, изменять по существу определения метра, секунды и канделы не предполагается. Однако для поддержания единства стиля планируется принять новые, полностью эквивалентные существующим, формулировки определений в следующем виде:

  • Метр, символ м, является единицей длины; его величина устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1.
  • Секунда, символ с, является единицей времени; её величина устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц.
  • Кандела, символ кд, является единицей силы света в заданном направлении; её величина устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц равным в точности 683, когда она выражена единицей СИ м−2·кг−1·с3·кд·ср или кд·ср·Вт−1, что эквивалентно лм·Вт−1.

Новый облик СИ[править | править вики-текст]

Предполагается, что после реализации сформулированного подхода в своём окончательном виде СИ будет системой единиц, в которой[13]:

  • частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 в точности равна 9 192 631 770 Гц[15];
  • скорость света в вакууме c в точности равна 299 792 458 м/с[15];
  • постоянная Планка h в точности равна 6,626 06X·10−34 Дж·с;
  • элементарный электрический заряд e в точности равен 1,602 17X·10−19 Кл;
  • постоянная Больцмана k в точности равна 1,380 6X·10−23 Дж/К;
  • число Авогадро NA в точности равно 6,022 14X·1023 моль−1;
  • световая эффективность kcd монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц в точности равна 683 лм/Вт[15];

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 The SI Brochure Описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов (англ.)
  2. 1 2 Международный словарь по метрологии: основные и общие понятия и соответствующие термины / Пер. с англ. и фр.. — 2-е изд., испр. — СПб.: НПО «Профессионал», 2010. — С. 20. — 82 с. — ISBN 978-5-91259-057-3.
  3. Supplement 2014: Updates to the 8th edition (2006) of the SI Brochure (фр.) (англ.)
  4. Когерентные производные единицы — производные единицы, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициент пропорциональности. Благодаря отсутствию коэффициента при расчётах, если выражать значения всех величин в единицах СИ, в формулы не требуется вводить коэффициенты, зависящие от выбора единиц. БСЭ-3.
  5. 1 2 ГОСТ 8.417—2002 Межгосударственный стандарт. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Единицы величин. М.: Стандартинформ (2010). — ГОСТ введён в действие с 1 сентября 2003 года.
  6. 94-е заседание Международного комитета мер и весов (2005 год). Рекомендации 1: Подготовительные шаги к определению килограмма, ампера, кельвина и моля через фундаментальные константы
  7. 23-я Генеральная конференция по мерам и весам (2007 год). Решение 12: О возможном переопределении определенных основных единиц Международной системы единиц (СИ).
  8. Ian Mills, President of the CCU. Thoughts about the timing of the change from the Current SI to the New SI. CIPM (октябрь 2009). Проверено 23 февраля 2010. Архивировано из первоисточника 8 мая 2012.
  9. h — постоянная Планка.
  10. e — заряд электрона.
  11. k — постоянная Больцмана.
  12. NA — число Авогадро.
  13. 1 2 3 On the possible future revision of the International System of Units, the SI Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011)
  14. Towards the "New SI"... (англ.) на сайте Международного бюро мер и весов
  15. 1 2 3 Это определение уже введено и действует в настоящее время.

Ссылки[править | править вики-текст]