Jednotky Sústavy SI

Jednotky Sústavy SI

V novo definovanej SI sústave jednotiek platnej od 20.mája 2019 je fixne definovaných sedem fyzikálnych konštánt, ktorých hodnoty sa deklarujú ako presné čísla, ktoré sa už ďalej nebudú meniť a spresňovať (majú nulovú neistotu), viď tabuľka 1. Od týchto siedmych fyzikálnych konštánt sú potom odvodené definície siedmych základných jednotiek SI (tabuľka 2).

Definície základných jednotiek

  • Sekunda sa definuje ako pevne určená číselná hodnota frekvencie žiarenia, ktoré zodpovedá prechodu medzi dvoma hladinami hyperjemnej štruktúry základného stavu atómu cézia 133, ΔνCs, rovná 9 192 631 770, ak je vyjadrená v jednotke Hz, ktorá sa rovná s-1.
  • Meter sa definuje ako pevne určená číselná hodnota rýchlosti svetla vo vákuu c rovná 299 792 458, ak je vyjadrená v jednotke m · s-1 a sekunda je definovaná prostredníctvom ΔνCs.
  • Kilogram sa definuje ako pevne určená číselná hodnota Planckovej konštanty h rovná 6,626 070 15 × 10-34, ak je vyjadrená v jednotke J · s, ktorá sa rovná súčinu kg · m2 · s-1, ak meter a sekunda sú definované prostredníctvom c a ΔνCs.
  • Ampér sa definuje ako pevne určená číselná hodnota elementárneho náboja e rovná 1,602 176 634 × 10-19, ak je vyjadrená v jednotke C, ktorá sa rovná súčinu A · s, ak sekunda je definovaná prostredníctvom ΔνCs.
  • Kelvin sa definuje ako pevne určená číselná hodnota Boltzmannovej konštanty k rovná 1,380 649 × 10-23, ak je vyjadrená v jednotke J · K-1, ktorá sa rovná súčinu
    kg · m2 · s-2 · K-1, ak kilogram, meter a sekunda sú definované prostredníctvom h, c a ΔνCs.
  • Mól sa definuje tak, že jeden mól obsahuje presne 6,022 140 76 × 1023 elementárnych entít, pričom toto číslo je pevne určená číselná hodnota Avogadrovej konštanty, NA, ak je vyjadrená v jednotke mol-1 a nazýva sa Avogadrovo číslo;
  • Látkové množstvo, symbol n, systému je mierou počtu špecifikovaných elementárnych entít, pričom týmito entitami môžu byť atómy, molekuly, ióny, elektróny, iné častice alebo špecifikované skupiny častíc.
  • Kandela sa definuje ako pevne určená číselná hodnota svetelnej účinnosti monochromatického žiarenia s frekvenciou 540 × 1012 Hz, Kcd, rovná 683, ak je vyjadrená v jednotke lm · W-1, ktorá sa rovná súčinu cd · sr · W-1 alebo súčinu
    cd · sr · kg-1 · m-2 · s3, ak kilogram, meter a sekunda sú definované prostredníctvom h, c a ΔνCs.

Vývoj základných jednotiek

Jednotka času, sekunda

Pred rokom 1960 bola časová jednotka sekunda definovaná ako zlomok 1/86 400 tzv. stredného slnečného dňa, pričom presná definícia „stredného slnečného dňa“ bola ponechaná na astronómov. Merania však ukázali, že ide o neuspokojivú definíciu z dôvodu nepravidelností rotácie Zeme. Aby bolo možné presnejšie definovať jednotku času, 11. CGPM (1960) prijala definíciu Medzinárodnej astronomickej únie založenú na tropickom roku 1900. Experimentálne práce však už vtedy preukázali, že by sa dal zrealizovať etalón času, založený na prechode medzi dvoma energetickými hladinami atómu alebo molekuly, ktorý by reprodukoval merania s oveľa presnejšími výsledkami. Vzhľadom na to, že veľmi presná definícia jednotky času je pre vedu a techniku ​​nevyhnutná, 13. CGPM (1967-1968) zvolilo novú definíciu jednotky času, ktorá je založená na frekvencií hyperjemného prechodu základného stavu v atóme cézia-133. Na 26. CGPM (2018) bola v 1. rezolúcii prijatá revízia znenia definície jednotky času, sekundy a to tak, že sa určila pevná číselná hodnota nerušenej frekvencie hyperjemného prechodu atómu cézia-133 v základnom stave, ΔνCs.

Jednotka dĺžky, meter

Definícia metra z roku 1889, určovala, že dĺžka jeden meter je dĺžka platinovo-irídiového medzinárodného prototypu. Táto definícia bola nahradená na 11. CGPM (1960) s použitím definície založenej na vlnovej dĺžke žiarenia zodpovedajúceho konkrétnemu prechodu v kryptóne-86. Nová definícia bola prijatá s cieľom zlepšiť presnosť, s ktorou by sa dala definícia realizovať meracím prístrojom, pričom sa to dosiahlo použitím interferometra s pohyblivým mikroskopom na meranie rozdielu optickej dráhy. V roku 1983 bola táto definícia nahradená na 17. CGPM (Rezolúcia 1) definíciou, ktorá sa odkazovala na vzdialenosť, ktorú svetlo prejde vo vákuu v určenom časovom intervale. Pôvodný medzinárodný prototyp metra, ktorý bol schválený na 1. CGPM v roku 1889, je dodnes uchovávaný v BIPM za podmienok stanovených v roku 1889. Aby sa objasnila závislosť od pevnej číselnej hodnoty rýchlosti svetla c, znenie definície bolo zmenené v 1. uznesení na 26. CGPM (2018).

Jednotka hmotnosti, kilogram

Definícia kilogramu z roku 1889, určovala, že hmotnosť jeden kilogram bola hmotnosť medzinárodného prototypu kilogramu, artefaktu, vyrobeného zo zliatiny platiny a irídia. Tento artefakt, bol a stále je uchovávaný v BIPM za podmienok špecifikovaných na 1. CGPM, keď generálna konferencia schválila prototyp a vyhlásila, že „tento prototyp sa bude odteraz považovať za jednotku hmotnosti“. Štyridsať podobných prototypov bolo vyrobených približne v rovnakom čase a všetky boli opracované a vyleštené tak, aby mali takmer rovnakú hmotnosť ako medzinárodný prototyp. Na 1. CGPM (1889), po kalibrácii voči medzinárodnému prototypu, bola väčšina týchto „národných prototypov“ individuálne pridelená členským štátom a niektoré aj BIPM. Na 3. CGPM sa vydalo vyhlásenie, ktoré potvrdilo, že „kilogram je jednotka hmotnosti a rovná sa hmotnosti medzinárodného prototypu kilogramu, pričom cieľom tohto vyhlásenia bolo ukončiť nejednoznačnosť v bežnom používaní týkajúcom sa používania slova „hmotnosť“.

Počas druhého porovnávania národných prototypov v roku 1946 sa zistilo, že priemerné hmotnosti týchto prototypov sa líšili od hmotnosti medzinárodného prototypu. Potvrdilo to aj tretie overovanie uskutočnené v rokoch 1989 až 1991, pričom stredný rozdiel bol asi 25 mikrogramov. Aby sa zabezpečila dlhodobá stabilita jednotky hmotnosti,  nová definícia kilogramu bola založená na hodnote Planckovej konštanty h. Cieľom takejto definície bolo využiť poznatky kvantovej teórie a vytvoriť definíciu užitočnejšiu pre modernú vedu. Táto nová definícia jednotky kilogram bola prijatá 1. rezolúciou na 26 CGPM (2018).

Jednotka elektrického prúdu, ampér

Jednotky elektrických veličín pre elektrický prúd a elektrický odpor boli na medzinárodnej úrovni zavedené na Medzinárodnom elektrotechnickom kongrese, ktorý sa konal v Chicagu v roku 1893. Definície „ampéra“ a „ohmu“ boli následne potvrdené na medzinárodnej konferencii v Londýne v roku 1908.

V čase 8. CGPM (1933) existovala jednomyseľná túžba nahradiť „medzinárodné jednotky“ takzvanými „absolútnymi jednotkami“. Keďže však niektoré laboratóriá ešte nedokončili experimenty potrebné na určenie pomerov medzi medzinárodnými a absolútnymi jednotkami, CGPM udelila CIPM právomoc rozhodnúť vo vhodnom čase o týchto pomeroch aj o dátume, kedy nové absolútne jednotky nadobudnú účinnosť. CIPM tak urobila v roku 1946, keď rozhodla, že nové jednotky vstúpia do platnosti 1. januára 1948. V októbri 1948 sa na 9. CGPM schválilo rozhodnutie prijaté CIPM. Definícia ampéra, zvolená CIPM, sa týkala sily medzi paralelnými drôtmi prenášajúcimi elektrický prúd a mala za následok stanovenie číselnej hodnoty magnetickej permeability vákua μ0 (nazývanej aj magnetická konštanta). Číselná hodnota elektrickej permitivity vákua ε0 (nazývaná aj elektrická konštanta) sa potom ustálila v dôsledku novej definície metra prijatej v roku 1983.

Definícia ampéra z roku 1948 sa však ukázala ako ťažko realizovateľná a praktické realizácie kvantových etalónov (založené na Josephsonovom a kvantovom-Hallovom efekte), ktoré spájajú volt a ohm s konkrétnymi kombináciami Planckovej konštanty h a elementárneho náboja e, sa stali takmer univerzálnymi na použitie ako praktická realizácia ampéra prostredníctvom Ohmovho zákona. V dôsledku toho bolo logickým nielen stanoviť číselnú hodnotu h na redefinovanie kilogramu, ale aj stanoviť číselnú hodnotu e na redefinovanie ampéra, aby sa praktické realizácie etalónov založených na kvantovej teórii presne zhodovali s SI. Súčasná definícia založená na pevnej číselnej hodnote pre elementárny náboj, e, bola prijatá rezolúciou 1 na 26. CGPM (2018).

Jednotka termodynamickej teploty, kelvin

Definícia jednotky termodynamickej teploty sa stanovila na 10. CGPM, ktorá určila trojný bod vody, ako základný pevný bod a priradila mu teplotu 273,16 K, čím sa definovala jednotka kelvin. Na 13. CGPM sa prijal pre takto definovanú jednotku názov kelvin, symbol K, namiesto „stupňa kelvin“, symbol °K. Praktické ťažkosti pri realizácii tejto definície, vyžadujúce si vzorku čistej vody s dobre definovaným izotopovým zložením a vývoj nových primárnych metód termometrie, však viedli k prijatiu novej definície kelvina, založenej na pevnej číselnej hodnote Boltzmannovej konštanty k. Súčasná definícia, ktorá odstránila obe tieto obmedzenia, bola prijatá v rezolúcii 1 na 26. CGPM (2018).

Jednotka látkového množstva, mól

Po objavení základných zákonov chémie sa na špecifikáciu množstva chemických prvkov alebo zlúčenín použili jednotky nazývané napríklad „gram-atóm“ a „gram molekula“. Tieto jednotky mali priamu súvislosť s „atómovými hmotnosťami“ a „molekulovými hmotnosťami“, čo sú v skutočnosti relatívne atómové a molekulové hmotnosti. Prvé kompilácie "atómových hmotností" boli pôvodne spojené s atómovou hmotnosťou kyslíka, ktorá bola podľa všeobecnej dohody považovaná za 16. Zatiaľ čo fyzici separovali izotopy v hmotnostnom spektrometri a priradili hodnotu 16 jednému z izotopov kyslíka, chemici pripisovali rovnakú hodnotu (mierne premenlivej) zmesi izotopov 16, 17 a 18, ktorá pre nich predstavovala prirodzenú vyskytujúci sa prvok kyslík. Dohoda medzi Medzinárodnou úniou čistej a aplikovanej fyziky (IUPAP) a Medzinárodnou úniou čistej a aplikovanej chémie (IUPAC) ukončila túto dualitu v rokoch 1959-1960. Fyzici a chemici sa dohodli, že hodnotu presne 12 priradia takzvanej atómovej hmotnosti, správne označovanej ako relatívna atómová hmotnosť Ar, izotopu uhlíka s hmotnostným číslom 12 (uhlík 12, 12C). Takto získaná jednotná stupnica udáva relatívne atómové a molekulové hmotnosti, známe tiež ako atómové a molekulové hmotnosti. Táto dohoda nie je ovplyvnená redefiníciou móla.

Množstvo používané chemikmi na špecifikáciu množstva chemických prvkov alebo zlúčenín sa nazýva „množstvo látky“. Látkové množstvo, symbol n, je definované ako úmerné počtu špecifikovaných elementárnych entít N vo vzorke, pričom konštanta úmernosti je univerzálna konštanta, ktorá je rovnaká pre všetky entity. Konštanta úmernosti je prevrátená hodnota Avogadrovej konštanty NA , takže n = N / NA. Jednotka látkového množstva sa nazýva mol, symbol mol. Na základe návrhov IUPAP, IUPAC a ISO vyvinul CIPM v roku 1967 definíciu mólu a potvrdil ju v roku 1969 špecifikovaním, že molárna hmotnosť uhlíka 12 by mala byť presne 0,012 kg/mol. 

Takto definovaná číselná hodnota Avogadrovej konštanty sa rovnala počtu atómov v 12 gramoch uhlíka 12. Avšak kvôli nedávnemu technologickému pokroku je toto číslo teraz známe s takou presnosťou, že jednoduchšia a univerzálnejšia definícia mólu sa určila presným špecifikovaním počtu entít v jednom mole akejkoľvek látky, čím sa fixovala číselná hodnota Avogadrovej konštanty. To má za následok, že nová definícia mólu a hodnota Avogadrovej konštanty už nie sú závislé od definície kilogramu. Zdôrazňuje sa tým rozdiel medzi zásadne odlišnými veličinami „množstvo látky“ a „hmotnosť“. Súčasná definícia mólu založená na pevnej číselnej hodnote Avogadrovej konštanty, NA,  bola prijatá v rezolúcii 1 na 26. CGPM (2018).

Jednotka svietivosti, candela

Pred rokom 1948 bola jednotka svietivosti v jednotlivých krajinách definovaná ako svietivosť sviečky daného zloženia alebo na základe etalónu žeraviaceho vlákna. Tieto definície boli nahradené novou definíciou, založenou na luminancii Planckovho žiariča (čierneho telesa) pri teplote tuhnutia platiny. Túto zmenu pripravila Medzinárodná komisia pre osvetlenie (CIE) spolu s CIPM ešte pred rokom 1937 a rozhodnutie bolo vyhlásené CIPM v roku 1946. Následne bola definícia schválená v roku 1948 na 9. Generálnej konferencii pre miery a váhy (CGPM), ktorá prijala nový medzinárodný názov pre túto jednotku – kandela, so symbolom cd. V roku 1954 bola kandela ustanovená ako základná jednotka na 10. CGPM a jej definícia bola upravená na 13. CGPM v roku 1967.

V roku 1979, kvôli ťažkostiam s realizáciou Planckovho žiariča pri vysokých teplotách a novým možnostiam ponúkaným rádiometriou, t. j. meraním výkonu optického žiarenia, prijala 16. CGPM novú definíciu kandely.

Súčasná definícia kandely používa pevne stanovenú číselnú hodnotu svetelnej účinnosti monochromatického žiarenia s frekvenciou 540 × 10¹² Hz, Kcd, ktorá bola prijatá v rezolúcii 1 na 26. CGPM (2018).