Основні одиниці SI

Основні одиниці (внітрішнє кільце) та визначальні константи (зовнішнє кільце) SI після реформи 2018-2019 року

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 такі фізичні величини: довжина, маса, час, електричний струм, термодинамічна температура, сила світла та кількість речовини.

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

Повний офіційний опис основних одиниць SI, а також SI в цілому разом із 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.

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).

Основні одиниці SI

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	Чинне визначення	Історія походження
Метр	м, m	Довжина	l, L	Метр визначається фіксацією числового значення швидкості світла у вакуумі c = 299 792 458 в одиницях м с−1, де секунда визначається через частоту випромінювання $\Delta \nu _{Cs}$ що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133	1/10 000 000 відстані від екватора Землі до північного полюса на меридіані Парижа. Метр дорівнює довжині шляху, який проходить у вакуумі світло за 1/299 792 458 частину секунди. (17 ГКМВ 1983 р., Резолюція 1)
Кілограм	кг, kg	Маса	m	Кілограм визначається через сталу Планка h, яка точно дорівнює 6,62607015×10−34 Дж⋅с (Дж = кг⋅м2⋅с−2), та визначення метра і секунди	Маса одного кубічного дециметра (літра) чистої води при температурі 4 °C і стандартному атмосферному тиску на рівні моря. Кілограм є одиницею маси і дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма. (3 ГКМВ 1901 р.)
Секунда	с	Час	t, T	Секунда визначається прийняттям фіксованого числового значення частоти надтонкого розщеплення основного стану атома цезію-133 $\Delta \nu _{Cs}$, що дорівнює точно 9192631770, коли вона виражена одиницею SI Гц, яка еквівалентна с−1	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 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)
Ампер	А	Сила електричного струму	I	Ампер встановлюється фіксацією числового значення елементарного електричного заряду e, коли він виражений одиницею Кл, що відповідає А⋅с, де секунда визначається через частоту $\Delta \nu _{\mathrm {Cs} }$ випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133	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 визначається через встановлення фіксованого числового значення сталої Больцмана k рівним 1,380 649 × 10–23 в одиницях Дж К–1, або в основних одиницях SI кг м2 с– 2 К–1, де кілограм, метр і секунда визначаються через h, c і ΔνCs. (h — стала Планка, c — швидкість світла у вакуумі, ΔνCs — частота, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями незбуреного основного стану атома цезію 133Cs)	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 нуль 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. 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
Моль	моль	Кількість речовини	N	Один моль містить точно 6,02214076 × 1023 формульних одиниць. Це число є фіксованим значенням сталої Авогадро (NA), коли виражається в одиниці моль−1 і називається числом Авогадро.	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 визначається прийняттям фіксованого числового значення сили світла монохроматичного випромінювання частотою 540×1012 Гц, зі світловою віддачею Kcd, яка дорівнює 683 лм·Вт– 1, що є еквівалентним кд·ср·Вт–1 або в основних одиницях SI кд·ср·кг– 1·м−2 с3, де кілограм, метр і секунда визначаються через h, c і ΔνCs (h — стала Планка, c — швидкість світла у вакуумі, ΔνCs — частота, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями незбуреного основного стану атома цезію133Cs)	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

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 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 23-тя ГКМВ у 2007 році вирішила відкласти узаконення будь-яких змін до наступної конференції у 2011 році.

У пояснювальній записці, адресованій МКМВ, у жовтні 2009 року, 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 N_A.

14 Генеральна конференція мір і ваг

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.

Кілограм, ампер, кельвін, моль

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 таких 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 такі положення, що стосуються цих одиниць:

• Кілограм залишиться одиницею маси, але його величина буде встановлюватись фіксуванням числового значення сталої Планка рівного з точністю 6,62606·10⁻³⁴, 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 у точності 1,60217·10⁻¹⁹, 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 у точності 1,3806·10⁻²³, 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 6,02214·10²³ моль⁻¹, коли вона виражена одиницею SI моль⁻¹.

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

Метр, секунда, кандела

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 такому вигляді:

• Метр, символ м, є одиницею довжини; його величина встановлюється фіксуванням числового значення швидкості світла у вакуумі рівним у 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 у 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 у 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

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

• частота надтонкого розщеплення основного стану атома цезію-133 в точності дорівнює 9192631770 Гц;
• швидкість світла у вакуумі (c) в точності дорівнює 299792458 м/с;
• стала Планка (h) в точності дорівнює 6,62606·10⁻³⁴ Дж·с;
• елементарний електричний заряд (e) в точності дорівнює 1,60217·10⁻¹⁹ Кл;
• стала Больцмана (k) в точності дорівнює 1,3806·10⁻²³ Дж/К;
• число Авогадро (N_A) в точності дорівнює 6,02214·10²³ моль⁻¹;
• світлова ефективність (k_cd) монохроматичного випромінювання частотою 540·10¹² Гц у точності дорівнює 683 лм/Вт;

Див. також

• Міжнародна система одиниць (SI)
• Фізичні константи
• Електрична стала
• Магнітна стала
• Швидкість світла
• Основна фізична величина

Джерела

• ДСТУ ISO 80000-1:2016 Величини та одиниці. Частина 1. Загальні положення (ISO 80000-1:2009; ISO 80000-1:2009/Cor.1:2011, IDT)
• 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

• Основні одиниці SI(англ.) на сайті Міжнародного бюро мір і ваг
• Міжнародна система одиниць (SI) (англ.) на сайті Національного інституту стандартів і технології (NIST)
• SI Base Units (англ.) на сайті National Physical Laboratory (NPL)