Основні одиниці SI

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Сім основних одиниць SI та залежність їх визначень

Основні́ одини́ці Міжнаро́дної систе́ми одини́ць (SI) — сім одиниць основних фізичних величин Міжнародної системи величин (англ. International System of Quantities, ISQ), прийняті Генеральною конференцією мір і ваг (ГКМВ) у 1960 році та неодноразово уточнювались на наступних ГКМВ.

Основними величинами Міжнародної системи величин є наступні фізичні величини: довжина, маса, час, сила електричного струму, термодинамічна температура, сила світла та кількість речовини.

Одиниці вимірювання для них — метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, кандела і моль відповідно[1][2].

Повний офіційний опис основних одиниць SI, а також SI в цілому разом з її тлумаченням міститься у чинній редакції Брошури SI (фр. Brochure SI, англ. The SI Brochure), опублікованої Міжнародним бюро мір і ваги (МБМВ) і опублікованій на сайті МБМВ[1].

Решта одиниць SI є похідними і утворюються з основних одиниць за допомогою рівнянь, що пов'язують фізичні величини Міжнародної системи величин одна з одною.

Основна одиниця може використовуватись і для похідної величини тієї ж розмірності. Наприклад, кількість опадів визначається як результат ділення об'єму на площу і в SI виражається в метрах. У цьому випадку метр використовується як когерентна похідна величина.

Назви і позначення усіх одиниць SI пишуться малими літерами (наприклад, метр і його позначення м). У цього правила є виняток: позначення одиниць, названих прізвищами вчених, пишуться з великої літери (наприклад, ампер позначається символом А)[2].

Основні одиниці SI[ред.ред. код]

В таблиці подані усі основні одиниці SI та їх означення, позначення, фізичні величини, до яких вони належать, а також, коротке обґрунтування їх походження.

Основні одиниці SI
Назва одиниці Позначення одиниці Назва величини Символ величини Визначення[2]
Історія походження
Метр м, m Довжина l, L Метр дорівнює довжині шляху, який проходить у вакуумі світло за 1/299 792 458 частину секунди.
(17 ГКМВ 1983 р., Резолюція 1)
1/10 000 000 відстані від екватора Землі до північного полюса на меридіані Парижа.
Кілограм кг, kg Маса m Кілограм є одиницєю маси і дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма.
(3 ГКМВ 1901 р.)
Маса одного кубічного дециметра (літра) чистої води при температурі 4 °C і стандартному атмосферному тиску на рівні моря.
Секунда с Час t, T Секунда є час, що дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, який відповідає переходові між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.
(13 ГКМВ (1967 р., Резолюція 1)
«у спокої при 0 К за відсутності збурень зовнішніми полями»
(Додано у 1997 році)
День поділяється на 24 години, кожна година поділяється на 60 хвилин, кожна хвилина поділяється на 60 секунд.
Секунда це — 1/(24 × 60 × 60) частина дня
Ампер А Сила електричного струму I Ампер є сила незмінного струму, який під час проходження по двох безмежно довгих паралельних прямолінійних провідниках малого кругового перерізу, розташованих на відстані 1 м один від одного у вакуумі, викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії 2 107 Н.
(МКМВ 1946 р., Резолюція 2, схвалена 9 ГКМВ в 1948 р.)
Кельвін К Термодинамічна температура T, θ Кельвін є одиницею термодинамічної температури і дорівнює 1/273,16 частині термодинамічної температури потрійної точки води.
(13 ГКМВ 1967 р., Резолюція 4)
У 2005 р. Міжнародний комітет мір і ваг встановив вимоги до ізотопного складу води при реалізації температури потрійної точки води: 0,00015576 моля 2H на один моль 1Н, 0,0003799 моля 17О на один моль 16О і 0,0020052 моля 18О на один моль 16О[1].
Шкала Кельвіна використовує такий же крок, що і шкала Цельсія, але 0 кельвінів це температура абсолютного нуля, а не температура плавлення льоду. Згідно із сучасним визначенням ноль шкали Цельсія встановлено таким чином, що температура потрійної точки води дорівнює 0,01 °C. В результаті, шкали Цельсія і Кельвіна зміщені на 273,15: 0 °C = K — 273,15.
Моль моль Кількість речовини N Моль є кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів вуглецю-12 масою 0,012 кг. За застосування моля структурні елементи повинні бути специфіковані і можуть бути атомами, молекулами, йонами, електронами або іншими частинками чи специфікованими групами частинок
(14 ГКМВ 1971 р., Резолюція 3)
Кандела кд Сила світла IV Кандела є сила світла у заданому напрямі від джерела, яке випромінює монохромне випромінення частотою 540·1012 Гц, енергетична сила світла якого у цьому напрямі становить 1/683 Вт/ср.
(16 ГКМВ 1979 р., Резолюція 3)

Рекомендації для удосконалення SI[ред.ред. код]

З моменту прийняття Метричної конвенції у 1875 р. визначення основних одиниць вимірювання декілька разів змінювалися. Після перевизначення метра у 1960 році, кілограм залишився останньою одиницею, яка визначається не як властивість природи, а як фізичний артефакт. Проте, моль, ампер і кандела теж прив'язані до платиново-іридієвих еталонів, які знаходяться в сховищі. Тривалий час метрологія шукала шляхи для визначення кілограма фундаментальними константами, так, як метр визначається через швидкість світла.

Конференція з мір та ваг (1999 р.) рекомендувала у XXI-му столітті «національним лабораторіям продовжити дослідження для прив'язки маси до фундаментальних або масових констант для визначення маси кілограма». Більшість сподівань пов'язують зі сталою Планка і числом Авогадро.

У 2005 році Міжнародний комітет мір і ваг (МКМВ) затвердив план підготовки до нових визначень кілограма, ампера і кельвіна, також відзначив можливість нового визначення моля, що ґрунтується на числі Авогадро[3] 23-я ГКМВ у 2007 році вирішила відкласти узаконення будь-яких змін до наступної конференції у 2011 році[4].

У пояснювальній записці, адресованій МКМВ, у жовтні 2009 року[5], президент консультативної ради МКМВ з одиниць перелічив невизначеності фізичних фундаментальних констант при використанні поточних визначень і тих, якими ці невизначеності стануть при використанні нових запропонованих визначень одиниць. Він рекомендував МКМВ ухвалити запропоновані зміни у визначеннях кілограма, ампера, кельвіна і моля, щоб вони виражались через величини фундаментальних констант h, e, k і NA.

14 Генеральна конференція мір і ваг[ред.ред. код]

На 14 ГКМВ 17—21 жовтня 2011 року була прийнята Резолюція, згідно з якою передбачається у майбутній ревізії Міжнародної системи одиниць перевизначити основні одиниці таким чином, щоб вони базувались не на створених людиною артефактах (еталонах), а на фундаментальних фізичних константах або властивостях атомів, числові значення яких фіксуються і вважаються точними за визначенням[6][7].

Кілограм, ампер, кельвін, моль[ред.ред. код]

Відповідно до рішень 14 ГКМВ найважливіші зміни повинні зачепити чотири основні одиниці SI: кілограм, ампер, кельвін і моль. Нові визначення цих одиниць будуть базуватись на фіксованих числових значеннях наступних фундаментальних фізичних констант: сталої Планка, елементарного електричного заряду, сталої Больцмана і числа Авогадро, відповідно. Усім цим величинам будуть приписані точні значення, отримані за результатами найточніших вимірювань, Комітетом з даних для науки і техніки (CODATA).

У Резолюції сформульовані наступні положення, що стосуються цих одиниць[6]:

  • Кілограм залишиться одиницею маси, але його величина буде встановлюватись фіксуванням числового значення сталої Планка рівного з точністю 6,626 06X·10−34, коли вона виражена одиницею SI м²·кг·с−1, що є еквівалентним Дж·с.
  • Ампер залишається одиницею сили електричного струму, але його величина буде встановлюватися фіксуванням числового значення елементарного електричного заряду рівним в точності 1,602 17X·10−19, коли він виражений одиницею SI с·А, що є еквівалентним Кл.
  • Кельвін залишиться одиницею термодинамічної температури; але його величина буде встановлюватися фіксуванням числового значення сталої Больцмана рівним в точності 1,380 6X·10−23, коли вона виражена одиницею SI м−2·кг·с−2·К−1, що є еквівалентним Дж·К−1.
  • Моль залишиться одиницею кількості речовини, але його величина буде встановлюватись фіксуванням числового значення сталої Авогадро рівним у точності 6,022 14X·1023 моль−1, коли вона виражена одиницею SI моль−1.

Вище і далі Х замінює одну або більше значущих цифр, які будуть визначені у подальшому на базі найточніших рекомендацій CODATA.

Метр, секунда, кандела[ред.ред. код]

Визначення метра і секунди вже пов'язані з точними значеннями таких сталих, як швидкість світла і період випромінювання, яке відповідає переходові між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію, відповідно. Існуюче визначення кандели хоча і не прив'язане до якоїсь фундаментальної сталої, тим не менше, також може розглядатися, як пов'язане з точним значенням інваріанта природи. Виходячи зі сказаного, зміни по суті визначення метра, секунди і кандели не передбачається. Однак для підтримання єдності стилю, планується прийняти нові, повністю еквівалентні існуючим, формулювання визначень у наступному вигляді:

  • Метр, символ м, є одиницею довжини; його величина встановлюється фіксуванням числового значення швидкості світла у вакуумі рівним в точності 299792458, коли вона виражена одиницею SI м·с−1.
  • Секунда, символ с, є одиницею часу, її величина встановлюється фіксуванням числового значення частоти надтонкого розщеплення основного стану атома цезію-133 при температурі 0 К рівним в точності 9192631770, коли вона виражена одиницею SI с−1, що еквівалентно Гц.
  • Кандела, символ кд, є одиницею сили світла у заданому напрямі, її величина встановлюється фіксуванням числового значення світлової ефективності монохроматичного випромінювання частотою 540·1012 Гц рівним в точності 683, коли вона виражена одиницею SI м−2·кг−1·с3·кд·ср або кд·ср·Вт−1, що є еквівалентним лм·Вт−1.

Новий вигляд SI[ред.ред. код]

Передбачається, що після реалізації сформульованого підходу в своєму остаточному вигляді SI буде системою одиниць, в якій[6]:

  • частота надтонкого розщеплення основного стану атома цезію-133 в точності рівна 9192631770 Гц[8];
  • швидкість світла у вакуумі (c)в точності рівна 299 792 458 м/с[8];
  • стала Планка (h) в точності рівна 6,626 06X·10−34 Дж·с;
  • елементарний електричний заряд (e) в точності рівний 1,602 17X·10−19 Кл;
  • стала Больцмана (k) в точності рівна 1,380 6X·10−23 Дж/К;
  • число Авогадро (NA) в точності рівне 6,022 14X·1023 моль−1;
  • світлова ефективність (kcd) монохроматичного випромінювання частотою 540·1012 Гц в точності рівна 683 лм/Вт[8];

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б в The SI Brochure Опис SI на сайті Міжнародного бюро мір і ваги(англ.)
  2. а б в ДСТУ 3651.0-97
  3. 94-е засідання МКМВ (2005). Рекомендації 1: Підготовчі кроки до визначення кілограма, ампера, кельвіна і моля через фундаментальні константи
  4. 23-я ГКМВ (2007). Рішення 12: Про можливе пере визначення певних основних одиниць SI.
  5. Ian Mills, President of the CCU (2009-10). «Thoughts about the timing of the change from the Current SI to the New SI». CIPM. Архів оригіналу за 2012-05-08. Процитовано 2010-02-23. 
  6. а б в On the possible future revision of the International System of Units, the SI Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011)
  7. Towards the «New SI»…(англ.) на сайті Міжнародного бюро мір і ваги
  8. а б в Це визначення уже введене в дію.

Джерела[ред.ред. код]

  • ДСТУ 3651.0-97 Метрологія. Одиниці фізичних величин. Основні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць.
  • Цюцюра В. Д., Цюцюра С. В. Метрологія та основи вимірювань. Навч. посіб. — К.: Знання-Прес, 2003. -180 с. — (Вища освіта XXI століття). — ISBN 966-7767-39-6

Посилання[ред.ред. код]