Единицей времени в международной системе си. Единицы измерения

С 1963 г. в СССР (ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц») с целью унификации единиц измерения во всех областях науки и техники рекомендована для практического использования международная (интернациональная) система единиц (СИ, SI) - это система единиц измерения физических величин, принятая XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. В основу ее положены 6 основных единиц (длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света), а также 2 дополнительные единицы (плоский угол, телесный угол); все остальные единицы, приводимые в таблице, являются их производными. Принятие единой для всех стран международной системы единиц призвано устранить трудности, связанные с переводами численных значений физических величин, а также различных констант из какой-либо одной, действующей в настоящее время системы (СГС, МКГСС, МКС А и т. д.), в другую.

Примечание. Кратные и дольные единицы измерения, за исключением единиц времени и угла, образуются путем их умножения на соответствующую степень числа 10, а их названия присоединяются к наименованиям единиц измерения. Не допускается применение двух приставок к наименованию единицы. Например, нельзя писать миллимикроватт (ммквт) или микромикрофарада (ммф), а необходимо писать нановатт (нвт) или пикофарада (пф). Не следует применять приставок к наименованиям таких единиц, которые обозначают кратную или дольную единицу измерения (например, микрон). Для выражения продолжительности процессов и обозначения календарных дат событий допускается применение кратных единиц времени.

Важнейшие единицы международной системы единиц (СИ)

Основные единицы
(длина, масса, температура, время, сила электрического тока, сила света)

Дополнительные и производные единицы

Многообразие отдельные единиц (силу, например, можно было выразить в кг, фунтах и др.) и систем единиц создавало большие трудности во всемирном обмене научными и экономическими достижениями. Поэтому еще в 19 веке отмечалась необходимость в создании единой международной системы, которая бы включала в себя и единицы измерений величин, используемых во всех разделах физики. Однако, соглашение о введении такой системы было принято только в 1960 году.

Международная система единиц – это правильно построенная и взаимосвязанная совокупность физических величин. Она была принята в октябре 1960 года на 11 генеральной конференции по мерам и весам. Сокращенное название системы –SI. В русской транскрипции – СИ. (система интернациональная).

В СССР в 1961 году был введен в действие ГОСТ 9867-61, которым устанавливается предпочтительное применение этой системы во всех областях науки, техники, и преподавания. В настоящие время действующим является ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин». Этот стандарт устанавливает единицы физических величин, применяемые в СССР, их наименования, обозначения и правила применения. Он разработан в полном соответствии с системой СИ и с СТ СЭВ 1052-78.

Система Си состоит из семи основных единиц, двух дополнительных и ряда производных. Кроме единиц СИ допускается применение дольных и кратных единиц, получаемых умножением исходных величин на 10 n , гдеn= 18, 15, 12, … -12, -15, -18. Наименование кратных и дольных единиц образуется присоединением соответствующих десятичных приставок:

экса (Э) = 10 18 ; пета (П) = 10 15 ; тера (Т) = 10 12 ; гига (Г) = 10 9 ; мега (М) = 10 6 ;

мили (м) = 10 –3 ; микро (мк) = 10 –6 ; нано (н) = 10 –9 ; пико (п) = 10 –12 ;

фемто (ф) = 10 –15 ; атто (а) = 10 –18 ;

ГОСТ 8.417-81 разрешает использовать кроме указанных единиц ряд внесистемных единиц, а также единицы, временно разрешенные к применению до принятия соответствующих международных решений.

К первой группе относятся: тонна, сутки, час, минута, год, литр, световой год, вольт-ампер.

Ко второй группе относятся: морская миля, карат, узел, об*мин.

1.4.4 Основные единицы си.

Единица длинны – метр (м)

Метр равен 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона-86.

В международном бюро мер и весов и в крупных национальных метрологических лабораториях созданы установки для воспроизведения метра в длинах световых волн.

Единица массы – килограмм (кг).

Масса – мера инерции тел и их гравитационных свойств. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Государственный первичный эталон килограмма СИ предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы массы рабочим эталонам.

В состав эталона входят:

Копия международного прототипа килограмма – платино-иридиевый прототип №12, представляющий собой гирю в виде цилиндра диаметром и высотой 39мм.

Равноплечие призменные весы №1 на 1 кг с дистанционным управлением фирмы Рупхерт (1895 года) и №2 изготовленные во ВНИИМе в 1966г.

Один раз, в 10 лет государственный эталон сравнивают с эталоном-копией. За 90 лет масса государственного эталона увеличилась на 0,02мг из-за пыли, адсорбции и коррозии.

Сейчас масса является единственной величиной единица, которой определяется через вещественный эталон. Такое определение имеет ряд недостатков – изменение массы эталона с течением времени, невоспроизводимость эталона. Ведутся поисковые работы по выражению единицы массы через естественные константы, например через массу протона. Планируется также разработка эталона через определенное число атомов кремния Si-28. для решения этой задачи, прежде всего, должна быть повышена точность измерения числа Авогадро.

Единица измерения времени – секунда (с).

Время является одним из центральных понятий нашего мировоззрения, одним из важнейших факторов в жизни и деятельности людей. Его измеряют с помощью стабильных периодических процессов – годового вращения Земли вокруг Солнца, суточного – вращения Земли вокруг своей оси, различных колебательных процессов. Определение единицы времени – секунды несколько раз менялось в соответствии с развитием науки и требований к точности измерения. Сейчас существует следующее определение:

Секунда – равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133.

В настоящее время создан лучевой эталон времени, частоты и длинны, используемый службой времени и частоты. Радиосигналы позволяют передавать единицу времени, поэтому она широко доступна. Погрешность эталона секунды 1·10 -19 с.

Единица силы электрического тока – ампер (А)

Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным и прямолинейным проводникам бесконечной длинны и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метра друг от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длинной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 -7 Н.

Погрешность эталона ампера 4·10 -6 А. Эту единицу воспроизводят с помощью так называемых токовых весов, которые приняты в качестве эталона ампера. Планируется использовать в качестве основной единицы 1 вольт, так как погрешность его воспроизведения равна 5·10 -8 В.

Единица термодинамической температуры – Кельвин (К)

Температура – это величина, характеризующая степень нагретости тела.

Со времени изобретения Галилеем Термометра измерение температуры основано на применении т ого или иного термометрического вещества, изменяющего свой объем или давление при изменении температуры.

Все известные температурные шкалы (Фаренгейта, Цельсия, Кельвина) основаны на каких-либо реперных точках, которым приписываются различные числовые значения.

Кельвин и независимо от него Менделеев высказали соображения о целесообразности построения шкалы температур по одной реперной точке, в качестве которой была взята «тройная точка воды», являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах. Она в настоящее время может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0001 градуса Цельсия. Нижней границей температурного интервала служит точка абсолютного нуля. Если этот интервал разбить на 273,16 частей, то получиться единица измерения называемая Кельвином.

Кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Для обозначения температуры, выраженной в Кельвинах, принят символ Т, а в градусах Цельсия t. Переход производится по формуле:T=t+ 273,16. Градус Цельсия равен одному Кельвину (обе единицы имеют право на использование).

Единица силы света – кандела (кд)

Сила света –это величина, характеризующая свечение источника в некотором направлении, равна отношению светового потока к малому телесному углу, в котором он распространяется.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 (Вт/ср) (Ватт на стерадиан).

Погрешность воспроизведения единицы эталоном 1·10 -3 кд.

Единица количества вещества – моль.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде С12 массой 0,012кг.

При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами или специфицированными группами частиц.

Дополнительные единицы СИ

Международная система включает в себя две дополнительные единицы – для измерения плоского и телесного углов. Они не могут быть основными, так как являются безразмерными величинами. Присвоение углу самостоятельной размерности привело бы к необходимости изменений уравнений механики, относящихся к вращательному и криволинейному движению. Вместе с тем они не являются производными, так как не зависят от выбора основных единиц. Поэтому указанные единицы включены в СИ в качестве дополнительных, необходимых для образования некоторых производных единиц – угловой скорости, углового ускорения и т.п.

Единица плоского угла – радиан (рад)

Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Государственный первичный эталон радиана состоит из 36-гранной призмы и эталонной угломерной автоколлимационной установки с ценой деления отсчетных устройств 0,01’’. Воспроизведение единицы плоского угла осуществляется методом калибровки, исходя из того, что сумма всех центральных углов многогранной призмы равна 2π рад.

Единица телесного угла – стерадиан (ср)

Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Измеряют телесный угол путем определения плоских углов при вершине конуса. Телесному углу 1ср соответствует плоский угол 65 0 32’. Для пересчета пользуются формулой:

где Ω – телесный угол в ср; α – плоский угол при вершине в градусах.

Телесному углу π соответствует плоский угол 120 0 , а телесному углу 2π – плоский угол 180 0 .

Обычно углы измеряют все-таки в градусах – это удобнее.

Преимущества СИ

Она является универсальной, то есть охватывает все области измерений. С её внедрением можно отказаться от всех других систем единиц.

Она является когерентной, то есть системой, в которой производные единицы всех величин получаются с помощью уравнений с числовыми коэффициентами, равными безразмерной единице (система является связанной и согласованной).

Единицы в системе унифицированы (вместо ряда единиц энергии и работы: килограм-сила-метр, эрг, калория, киловатт-час, электрон-вольт и др. – одна единица для измерения работы и всех видов энергии – джоуль).

Осуществляется четкие разграничение единиц массы и силы (кг и Н).

Недостатки СИ

Не все единицы имеют удобный для практического использования размер: единица давления Па – очень маленькая величина; единица электрической емкости Ф – очень большая величина.

Неудобство измерения углов в радианах (градусы воспринимаются легче)

Многие производные величины не имеют пока собственных названий.

Таким образом, принятие СИ является очередным и очень важным шагом в развитии метрологии, шагом вперед в совершенствовании систем единиц физических величин.

Согласно определению, утвержденному XI Генеральной конференцией по мерам и весам, принявшей систему СИ, в качестве основной механической единицы принята единица массы - килограмм. Определение килограмму дано следующее:

Единицей массы - килограммом - является масса вещества, равная массе прототипа килограмма.

Прототип килограмма представляет собой находящийся в Международном бюро по мерам и весам в Севре под Парижем цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия диаметром около 39 мм и такой же высоты. Выбор этого сплава обеспечивает высокие качества при хранении: химическую стойкость, однородность. Сплав легко полируется и хорошо очищается. Ввиду большой плотности, составляющей 21,5 г/см 3 он обладает тем недостатком, что отделение от него уже малых частей приводит к большому изменению массы. По этой причине копии с эталонов массы (вторичные эталоны различных рангов), как правило, изготавливают из стали или из латуни.

Для обеспечения единства измерений массы в ходе установления и утверждения прототипа килограмма было изготовлено много его экземпляров. Масса прототипов обеспечивалось с отличием на уровне 10 -8 по относительной погрешности. Прототипы были проаттестованы в Международном бюро по мерам и весам. Каждому экземпляру была приписана погрешность. Возможные колебания массы прототипов не превышали 25 мкг, что соответствует относительной погрешности 2,5 ×10 -8 . В Россию как в страну-участницу Метрической конвенции в 1889 г. был направлен прототип № 12, который хранится до настоящего времени во Всероссийском научно-исследовательском институте им. Д.И. Менделеева (бывшая Главная палата мер и весов России) в Санкт-Петербурге.

Первоначально прототип массы должен был совпадать с массой одного кубического дециметра воды при ее наибольшей плотности при температуре Т = 3,98°С и давлении 101325 Па. Однако, затем максимальная плотности воды была найдена равной 0, 999 972 г/см 3 , т. е. прототип массы оказался на 28 мкг больше, чем был задуман. Это сказалось бы на определении единицы объема, если бы таковая вводилась бы какобъем одного миллилитра воды. При известной массе прототипа килограмма единицу объема можно определить как объем 1000 г воды при наибольшей плотности и нормальном давлении. Определенная таким образом единица соотносилась бы с производной единицей объема системы СИ как

Международная система единиц СИ не является установленной для всех на все времена. Уже указывалось, что многие страны пользуются другой системой мер. Методы физических измерений также постоянно совершенствуются. Именно по этой причине переопределен целый ряд величин, например, метр, кандела. Ампер. Почти для всех основных единиц системы СИ приняты новые определения, основанные на физических явлениях, отличающихся постоянством и неподверженностью влиянию внешних воздействий. Это дает возможность создать так называемые «естественные» или «нетленные» эталоны. Такие эталоны созданы для основных единиц: длины - метра, времени - секунды, силы тока - Ампера, термодинамической температуры - Кельвина, силы света - канделы. Поиски такого же эталона для единицы массы - килограмма - еще не завершились успехом. Точность, достигаемая с помощью имеющегося эталона килограмма, очень высока и пока удовлетворяет все запросы практики. Тем не менее с выходом человека в Космос, с освоением Мирового океана и т. д. для многих нужд в технике измерений желательно иметь естественный эталон массы. Поиски возможности замены искусственного эталона массы обозначена сейчас метрологами как одна их наиболее актуальных научных и практических проблем.

Одним из путей решения такой задачи является возможность объединения проблем создания и хранения эталонов единицы количества вещества и единицы массы - моля и килограмма. Для этого необходимо создать точное средство измерения количества вещества с диапазоном изменения величины на 23 - 25 порядков, что соответствует как детектированию отдельных частиц, так и макроскопическим измерениям количества вещества, которое могло бы быть принято в качестве эталона инерционной или тяготеющей массы.

Седьмая основная единица системы СИ - единица количества вещества моль - занимает совершенно особое место в числе основных единиц. Причин для этого существует несколько. Первая причина - эта величина практически дублирует имеющуюся основную единицу, единицу массы. Масса, определяемая как мера инертности тела или мера сил тяготения является мерой количества вещества. Вторая причина, обусловленная первой и тесно связанная с ней, состоит в том, что до сих пор не существует реализации эталона единицы этой физической величины. Многочисленные попытки независимого воспроизведения моля приводили к тому, что накопление точно измеренного количества вещества сводилось в конце концов с выходом на другие эталоны основных физических величин. Например, попытки электролитического выделения какого-либо вещества приводили к необходимости измерения массы и силы электрического тока. Точное измерение числа атомов в кристаллах приводило к измерению линейных размеров кристалла и его массы. Во всех других аналогичных попытках независимого воспроизведения моля метрологи наталкивались на те же трудности.

Естественно возникает вопрос: а по какой причине метрологические службы самых развитых стран согласились с тем, чтобы в числе основных единиц были две различные, характеризующие одно и то же физическое понятие? Ответ на этот вопрос очевиден, если отталкиваться от основного принципа построения систем единиц физических величин - удобства практического использования. В самом деле, для описания параметров механических процессов удобнее всего пользоваться произвольной искусственной мерой массы - килограммом. Для описания химических процессов очень важно знать число элементарных частиц, атомов или молекул, принимающих участие в химических реакциях. По этой причине моль называют химической основной единицей системы СИ, подчеркивая этим тот факт, что она вводится не для описания каких-то новых явлений, а для обслуживания специфических измерений, связанных с химическим взаимодействием веществ и материалов.

Указанная специфика породила еще одно очень важное качество единицы количества вещества - моля. Оно состоит в том, что при введении химического определения единицы регламентируется не просто количество любого вещества, а количества вещества в виде атомов или молекул данного сорта. Поэтому моль можно называть единицей количества индивидуального вещества. При таком определении моль становится более универсальной единицей количества вещества, чем килограмм. В самом деле, индивидуальные вещества обладают свойствами инерции и тяготения, так что эталон моля при условии его реализации на необходимом уровне точности может использоваться как эталон массы. Обратное же невозможно, т. к. мера массы, изготовленная, например, из сплава платины и иридия, никогда не сможет быть носителем свойств, присущих, например, кремнию или углероду.

Кроме удобства использования единицы количества вещества в проведении химических реакций введение второй основной единицы количества вещества оправдано еще одним обстоятельством. Оно состоит в том, что измерения количества вещества необходимо проводить в очень широком диапазоне изменения этой величины. В макроскопических явлениях объекты измерений в виде твердых тел содержат порядка 10 23 атомов. Это порядок величины числа атомов в грамм-эквиваленте вещества. В микроскопических явлениях существует даже проблема детектирования отдельных атомов. Следовательно, количество вещества необходимо измерять в диапазоне изменения более чем 20 порядков! Естественно, что ни одно устройство, ни один прибор на эталонном уровне такой возможности не обеспечит.

По этой причине очевидным становится желание метрологов иметь в качестве основных единицдве единицы количества вещества, одна из которых позволяет проводить точные измерения в области больших количеств, а вторая позволяет измерять частицы определенного вещества поштучно.

Нежелание метрологов отказаться от какой-либо основной единицы количества вещества, например от килограмма, связано с тем, что воспроизведение этой единицы изготовлением копии прототипа возможно с очень высокой точностью. Воспроизведение массы независимыми способами, такими как отбор одного литра воды или электролитическое осаждение определенной массы металла из раствора, оказывается значительно менее точным, чем изготовление копии килограмма взвешиванием.

В связи с перечисленными трудностями реализации основной единицы количества вещества в виде эталона не существует. Определение моля гласит:

Молем является количество вещества, имеющее столько структурных единиц, сколько их содержится в 12 граммах моно изотопа углерода C 12 .

Из определения с очевидностью следует, что точно это значение не установлено, По физическому смыслу оно равно постоянной Авогадро - числу атомов в грамм-эквиваленте углерода. Это дает возможность определять моль как величину, обратную постоянной Авогадро. Для 12 грамм углерода с массовым числом 12 количество атомов будет равно N A .

В соответствии с этим проблема создания эталона количества вещества сводится к уточнению постоянной Авогадро. Технически в настоящее время пользуются следующей процедурой:

Изготавливается определенное количество (сотни грамм) сверхчистого кремния.

На точных масс-спектрометрах измеряется изотопный состав этого кремния.

Выращивается монокристалл сверхчистого кремния.

Измеряется объем монокристалла по измерениям его массы и плотности V.

На рентгеновском интерферометре измеряется размер элементарной ячейки куба в монокристалле кремния - а.

Поскольку кристаллическая решетка в кремнии имеет форму куба, число структурных единиц в монокристалле оказывается равным

По измерениям массы и эквивалентного атомного веса определяется число молей кремния в кристалле

где m - масса кристалла, ц. - атомный вес образца с учетом различного процентного содержания изотопов.

Определяется постоянная Авогадро как число структурных единиц в одном грамм-эквиваленте кремния

Работы по уточнению постоянной Авогадро ведутся международными метрологическими центрами постоянно. Особенно большую активность проявляет национальная физическая лаборатория Германии РТВ в Брауншвейге. Идет постоянная борьба за чистоту исходного материала (кремния) как за счет очистки от примесей, так и за счет однородности изотопного состава. Достигнутый в настоящее время уровень содержания примесей составляет для большинства элементов не более одной частицы на миллион частиц кремния, а по некоторым примесям, мешающим кристаллообразованию, одна частица на миллиард частиц кремния.

При повторении работ по уточнению постоянной Авогадро усовершенствуются средства измерения массы кристалла, его плотности, изотопного состава, размеров кристаллической решетки. В настоящее время можно гарантировать достоверность определения постоянной Авогадро на уровне 10 -6 -10 -7 по относительной погрешности. Тем не менее это значение много больше погрешности в изготовлении копий эталона килограмма методом взвешивания.

Кроме точности, уступающей точности воспроизведения килограмма, описанная процедура определения моля страдает еще рядом существенных недостатков. Самый главный из них - это невозможность создания меры, равной какой-либо части моля или нескольких молей, т. е. создания мер кратных и дольных единиц. Любые попытки сделать это приводят к необходимости взвешивания, т. е. определения массы и выхода на эталон килограмма. Естественно, что смысл воспроизведения моля при этом теряется. Еще один принципиальный порок в процедуре использования моля это то, что проведенные измерения числа частиц на кремнии очень трудно, а иногда невозможно сопоставить с какими-либо другими частицами, и в первую очередь с углеродом, по которому собственно и определяется моль. В общем случае любая сверхточная процедура определения числа частиц какого-либо вещества может оказаться совершенно непригодной для другого вещества. Массу любых веществ мы можем сравнивать друг с другом, но число частиц одного вещества может оказаться несопоставимым с числом частиц другого вещества. В идеальном случае для обеспечения единства измерений состава веществ и материалов следует иметь универсальный метод воспроизведения моля любого вещества, но чаще всего такая задача оказывается невыполнимой. Очень большое число веществ в химические взаимодействия друг с другом не вступают.

Несмотря на все указанные проблемы в реализации эталона моля «химическая метрология» существует, и химикам очень удобно использовать единицу количества вещества, определенную как число частиц данного сорта. Именно поэтому моль широко используется в измерениях состава веществ и материалов и в особенности в измерениях экологической направленности. В настоящее время проблемы экологии как межнациональные и межгосударственные являются одной из основных точек приложения достижений метрологии как науки об обеспечении единства измерений.