Определения основных единиц СИ

Метр (м, m) – единица длины. Архивный метр оказался короче 1/40000 доли парижского меридиана (на 0,2 мм). Еще более неприятным оказалось, что метр и его эталоны, разосланные в разные страны, изменились со временем в результате перекристаллизации в сплаве. Ученые обнаружили это измеряя длины эталонов при помощи световых волн. При этом они открыли, что длина волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, гораздо постояннее, чем длина металла эталона метра. С помощью интерференционных компараторов можно измерить длину эталона, сравнивая её с длиной световой волны. Особенно пригодной для этой цели оказалась длина волны оранжевой линии спектра, излучаемого ⁸⁶Kr при пропускании через него электрического тока. Длина этой волны принята за естественный эталон единицы длины – метра.

Метр – длина, равная 1 650 763, 73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 p₁₀ и 5 d₅ атома ⁸⁶Kr.

Погрешность воспроизведения метра составляет около 10^-8.

Число длин волн выбрано так, чтобы эта единица длины совпадала возможно точнее с парижским метром. Поэтому за единицу и не была выбрана длина, на которой укладывалась бы какое-либо круглое число длин волн.

Государственный эталон метра представляет собой сложный комплекс аппаратуры, включающий криптоновую лампу, фотоэлектрический интерферометр и другие приборы. Эталон создан и хранится в Институте метрологии им. Менделеева (Санкт-Петербург).

Килограмм (кг, кg) – единица измерения массы. Масса – мера инерции. Масса тела есть его характерное физическое свойство, определяющее соотношение между действующей на это тело силой и сообщаемым ею телу ускорением.

Определение килограмма как массы 1 литра воды при 4 ⁰С оказалось неточным. Масса 1 л при 4 ⁰С на 28 г меньше, чем изготовленный во Франции эталон из платино-иридиевого сплава сплава. Но в отличие от эталона метра масса эталона килограмма практически совершенно не меняется со временем, и сравнить эталон килограмма с его копиями можно с большой точностью – до нескольких миллиардных долей. Это позволило положить его в основу принятого в СИ определения килограмма: килограмм равен массе международного прототипа (90 % платины + 10 % иридия) в виде цилиндрической гири.

Секунда (с, s) – единица времени – самая древнейшая, она ведёт своё происхождение от системы измерения времени, изобретённой в древнем Шумерском царстве и Вавилоне. В сутках – полном обороте Земли вокруг своей оси – 24 часа, в часе – 60 мин, в минуте – 60 секунд, в полных сутках – 86 400 с.

Секунда – (лат. secunda divisio – второе деление). Точные исследования показали, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно. Неравномерно и её вращение вокруг солнца. Эта неравномерность была замечена с помощью точнейших кварцевых часов. В них использовано свойство кварцевой пластинки, вырезанной из кристалла горного хрусталя, совершать строго определённое число колебаний в секунду. В настоящее время созданы ещё более точные атомные часы. Если атому ¹³³Cs сообщить избыточную энергию, то атом испускает обратно эту избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, частота и период которого строго постоянны и совершенно одинаковы для всех существующих атомов ¹³³Cs.

ХIII Генеральная конференция по мерам и весам в 1968 г. утвердила определение секунды: секунда – 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома ¹³³Cs (переход атома из возбуждённого в обычное состояние).

Ампер (А) – единица силы электрического тока. Эта единица устанавливается на основе открытого Ампером фундаментального закона о взаимодействии электрических токов, протекающих по параллельным проводникам.

Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным проводникам, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м, вызывает между этими проводниками силу притяжения, равную 2*10^-7 Н на каждый метр длины проводников.

Для воспроизведения ампера используют эталонные токовые весы. Ток пропускают через две катушки: одна из них неподвижна, а другая прикреплена к коромыслу точных весов. Подвижная катушка может втягиваться внутрь неподвижной, когда через них пропускают ток. Силу втягивания можно очень точно измерить, уравновесив её весом гирь на другом плече коромысла весов. Определённый таким образом ампер не нуждается в естественном «эталоне», так как установлен посредством единиц длины и силы. Можно было бы определить единицу силы тока как единицу количества электричества (Кл) естественным «эталоном», – скажем, зарядом электрона. Но пока ещё заряд электрона (или число электронов, составляющих кулон) известно с недостаточной точностью, чтобы его можно было принять за единицу в СИ. Взаимодействием катушек с током ампер определяется менее точно, чем определены эталоны длины, массы и времени; поэтому ведутся изыскания более точного эталона для электрических измерений.

Кельвин (К) – единица термодинамической температуры. Нуль кельвинов – теоретически наинизшая температура. Если бы её можно было достичь, то прекратилось бы движение всех атомов и молекул. В термодинамической температурной шкале точка сосуществования трёх фаз воды – льда, воды как жидкости и паров воды (при равновесном давлении 6 кПа) – принимается равной 273,16 К. Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Термодинамическую температуру практически измеряют гелиевым или водородным термометром, определяя давление газа в замкнутом неизменном объёме, принявшем температуру измеряемого тела.

Практически температуру тел, жидкостей, газов измеряют жидкостными или электрическими термометрами.

Наравне с кельвином допускается измерение температуры и их разности градусом Цельсия. Цельсий в точности равен кельвину, но за нуль принята температура тающего льда, а температура кипения при нормальном атмосферном давлении – за 100 ⁰С.

Температура тающего льда по шкале Кельвина равна 273,15 К.

Кандела (кд, cd) – единица силы света. Наиболее воспроизводимым оказался свет, излучаемый платиной при температуре ее затвердевания.

Кандела – (лат. candela – свеча) – сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м² (1,667 мм²) сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре затвердевания платиныt (2042 К) и давлении 103 325 Па.

Полный излучатель (или абсолютно черное тело) изготовлен в виде трубки длиной, примерно в 10 раз больше её диаметра. Трубка вставляется в тигель с расплавленной платиной. Тигель и трубка изготовляются из тугоплавкого вещества – оксида тория.

Моль (моль, mol) – единица количества вещества – элемента или химического соединения.

Моль – количество вещества, содержащего столько же структурных элементов (молекул, атомов, электронов, ионов и других частиц) или групп этих частиц, сколько атомов содержится в нуклиде ¹²С массой 0,012 кг.

Это значит, что в 1 моле, то есть в 12 г ¹²С, или в 32 г кислорода, или в 44 г углекислого газа содержится одно и тоже число атомов (или молекул), равное числу Авогадро: N_a = 6,02252·10²³.

Для измерения углов в СИ предусматриваются две дополнительные единицы.

Радиан (рад, rad) – для измерения плоских углов, – угол между двумя радиусами, опирающимся на дугу окружности, равную по длине ее радиусу.

Стерадиан (ср, sr) – для измерения телесных углов – равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса.