Основные единицы СИ

Семь основных единиц

Основные единицы Международной системы единиц (СИ) — семь единиц измерения основных величин СИ. Эти величины — длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Единицы измерения для них — основные единицы СИ — метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела соответственно[1][2].

Основные единицы СИ определяет Международное бюро мер и весов (МБМВ). Полное официальное описание основных единиц СИ, а также СИ в целом вместе с её толкованием, содержится в действующей редакции Брошюры СИ, опубликованной МБМВ и представленной на его сайте[3].

Содержание

Основные единицы

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

Основные единицы СИ
Единица Обозначение Величина Определение[4] Историческое происхождение, обоснование
Секунда с
s
Время Величина секунды 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. Солнечные сутки разбиваются на 24 часа, каждый час разбивается на 60 минут, каждая минута разбивается на 60 секунд.
Секунда — это 1(24 × 60 × 60) часть солнечных суток.
Современное определение принято на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 году.
Метр м
m
Длина Величина метра устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1. 110 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа.
Современное определение установлено XVII ГКМВ в 1983 г.
Килограмм кг
kg
Масса Величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равным в точности 6,626 070 15 × 10–34, когда она выражена в Дж⋅с. Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
В течение более чем двухсот лет эталоном килограмма служили материальные образцы — Архивный килограмм, затем Международный прототип килограмма.
Ампер А
A
Сила электрического тока Величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного заряда e равным 1,602 176 634 × 10–19, когда он выражен в кулонах. Предыдущее определение, восходящее к изначальному: 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.
Кельвин К
K
Термодинамическая температура Величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана k равным в точности 1,380 649 × 10–23, когда она выражена в Дж/К. В 1967—2019 годах определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды[к 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[6]: T [°C] = T [K] − 273,15.
Моль моль
mol
Количество вещества Один моль содержит ровно 6,022 140 76 × 1023 элементов[к 2]. Это число — фиксированное значение постоянной Авогадро NA, выраженной в единицах моль−1, и называется числом Авогадро. Атомный вес или молекулярный вес, деленный на постоянную молярной массы, 1 г/моль.
В 1971—2019 годах определялся как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 12 г.
Кандела кд
cd
Сила света Величина канделы 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. Сила света (англ. Candlepower, устар. Британская единица силы света), испускаемая горящей свечой.
Современное определение установлено XVI ГКМВ в 1979 г.

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 и производные единицы

Остальные единицы СИ являются производными и образуются из основных с помощью уравнений, связывающих друг с другом физические величины используемой в СИ 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][к 3].

Определение СИ через фиксацию констант, вообще говоря, не требует различать основные и производные единицы. Тем не менее, это разделение сохраняется по историческим причинам и для удобства[7].

Совершенствование системы единиц

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 были привязаны к килограмму, то и они оказывались 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.

В начале XXI века Международной бюро мер и весов готовило новые определения основных единиц СИ, не привязанные к материальным артефактам (эталонам). Эта работа была окончательно завершена к 2018 году, когда на XXVI Генеральной конференции по мерам и весам были приняты новые определения СИ и её основных единиц. Изменения вступили в силу в 2019 году.

Содержательно изменились определения четырёх основных единиц СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля. Новые определения этих единиц основаны на фиксированных численных значениях следующих фундаментальных физических постоянных: постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и числа Авогадро, соответственно. Всем этим величинам приписаны точные значения, основанные на результатах наиболее точных измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA).

Формально новые определения отменили все предыдущие[8], однако новые определения метра, секунды и канделы равносильны старым и изменены лишь для поддержания единства стиля. Определения метра и секунды уже были связаны с точными значениями таких постоянных, как скорость света и величина расщепления основного состояния атома цезия. Определение канделы хотя и не привязано к какой-либо фундаментальной постоянной, тем не менее, также может рассматриваться как связанное с точным значением инварианта природы.

Новый облик СИ

Согласно вступившему в силу в 2019 году определению, СИ — это система единиц, в которой[9]:

  • частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 в точности равна 9 192 631 770 Гц;
  • скорость света в вакууме c в точности равна 299 792 458 м/с;
  • постоянная Планка в точности равна 6,626 070 15⋅10−34 Дж·с;
  • элементарный электрический заряд e в точности равен 1,602 176 634⋅10−19 Кл;
  • постоянная Больцмана k в точности равна 1,380 649⋅10−23 Дж/К;
  • число Авогадро NA в точности равно 6,022 140 76⋅1023 моль−1;
  • световая эффективность Kcd монохроматического излучения частотой 540⋅1012 Гц в точности равна 683 лм/Вт.

Комментарии

  1. 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[5]
  2. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы (оговорены) и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
  3. 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[уточните ссылку (уже 84 дня)].

Примечания

  1. Брошюра СИ, 2019, с. 18, 130.
  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. Брошюра СИ, 2019.
  4. Брошюра СИ, 2019, с. 18—23, 130—135.
  5. Брошюра СИ, 2019, с. 76, 184.
  6. ГОСТ 8.417—2002. Межгосударственный стандарт. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Единицы величин (недоступная ссылка). М.: Стандартинформ (2010). — ГОСТ введён в действие с 1 сентября 2003 года. Дата обращения 9 июля 2012. Архивировано 10 ноября 2012 года.
  7. Брошюра СИ, 2019, с. 17, 129.
  8. Брошюра СИ, 2019, с. 93, 198.
  9. Брошюра СИ, 2019, с. 15—16, 127—128.

Ссылки