Internationales Einheitensystem (SI)
Das Internationale Einheitensystem ist ein weltweiter Standard für die Einheiten, in denen Wissenschaftler Naturphänomene beschreiben. Der Standard folgt dem metrischen System und wird üblicherweise mit SI abgekürzt, abgeleitet von ursprünglichen französischen Bezeichnung Système international d'unités. Die SI-Norm baut auf einem früheren Standard auf, dem Meter-Kilogramm-Sekunden-System (MKS).
Das Bureau international des poids et mesures (BIPM) ist für die Förderung und Beschreibung des SI-Standards zuständig. Das Internationale Büro für Maße und Gewichte (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) wurde 1875 gegründet und arbeitet unter der Aufsicht des Internationalen Ausschusses für Maße und Gewichte (CIPM). Das CIPM untersteht der Conférence générale des poids et mesures (CGPM), auch bekannt als Generalkonferenz für Maße und Gewichte.
Das Herzstück der SI-Norm ist eine Reihe von sieben definierenden Randbedingungen, die als Grundlage für alle in der SI-Norm angegebenen Maßeinheiten dienen.
- Die Hyperfeinübergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms (∆νCs) beträgt 9.192.631.770 Hertz (Hz).
- Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) beträgt 299.792.458 Meter pro Sekunde (m/s).
- Die Planck-Konstante (h) beträgt 6,62607015 × 10-34 Joule-Sekunden (J s).
- Die Elementarladung (e) beträgt 1,602176634 × 10-19 Coulombs (C).
- Die Boltzmann-Konstante (k) beträgt 1,380649 × 10-23 Joule/Kelvin (J/K).
- Die Avogadro-Konstante (NA) beträgt 6,02214076 x 1023 Teilchen pro Mol (mol-1).
- Die Lichtausbeute von monochromatischer Strahlung der Frequenz 540 × 1012 Hz (Kcd) beträgt 683 Lumen pro Watt (lm/W).
Nach der SI-Dokumentation stellen die Konstanten eine "fundamentale, stabile und universelle Referenz dar, die gleichzeitig praktische Realisierungen mit geringsten Unsicherheiten ermöglicht". Alle in der SI-Norm genannten Einheiten lassen sich von diesen sieben Konstanten ableiten.
Die Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI)
Vor 2018 bildeten sieben Basiseinheiten die Grundlage für die SI-Norm. Darüber hinaus definierte die Norm mehrere abgeleitete Einheiten. Jetzt baut die Norm jedoch auf ihren sieben Konstanten auf, und alle definierten Einheiten werden von diesen Konstanten abgeleitet. Das Konzept der sieben Basiseinheiten wurde jedoch beibehalten, ebenso wie die von den Basiseinheiten abgeleiteten zusätzlichen Einheiten.
Alle SI-Einheiten können sowohl als Vielfache oder Bruchteile von Standardgrößen als auch direkt ausgedrückt werden. Vielfache und gebrochene SI-Einheiten werden durch vorangestellte Multiplikatoren und 10er-Potenzen im Bereich von 10-24 bis 1024 definiert. Die sieben Basiseinheiten sind wie folgt definiert:
- Meter (m). Einheit der Länge. Ein Meter ist die Strecke, die das Licht im Vakuum in 1/299.792.458 (3,33564095 x 10-9) einer Sekunde zurücklegt. Ursprünglich war der Meter definiert als ein Zehnmillionstel (0,0000001 oder 10-7) der Entfernung um die Erdoberfläche, gemessen auf einem Großkreis, der durch Paris, Frankreich, vom geografischen Nordpol zum Äquator führt.
- Kilogramm (kg). Einheit der Masse. Der Wert des Kilogramms basiert nun auf der Planck-Konstante, die 6,62607015 × 10-34 J s beträgt. Vor 2018 war das Kilogramm als die Masse eines bestimmten internationalen Prototyps aus Platin-Iridium definiert, der am Sitz des BIPM aufbewahrt wurde. Davor war das Kilogramm definiert als die Masse von einem Liter (10-3 Kubikmeter) reinen Wassers.
- Sekunde (s). Einheit der Zeit. Eine Sekunde ist die Zeit, die während 9,192631770 Perioden der Strahlung vergeht, die durch den Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Cäsium-133-Atoms in einem ungestörten Grundzustand erzeugt wird. Es ist auch die Zeit, die das Licht benötigt, um 299.792.458 (2,99792458 x 108) Meter durch ein Vakuum zurückzulegen.
- Kelvin (K). Einheit der thermodynamischen Temperatur. Der Wert des Kelvins basiert jetzt auf der Boltzmann-Konstante, die 1,380649 × 10-23 J/K-1 beträgt. Vor 2018 galt ein Kelvin als 1/273,16 (3,6609 x 10-3) der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von reinem Wasser (H2O).
- Ampere (A) Einheit des elektrischen Stroms. Der Wert des Ampere basiert nun auf der Elementarladung, die 1/1,602176634 × 10-19 mal die Elementarladung e pro Sekunde beträgt. Vor 2018 basierte das Ampere auf der Kraft zwischen zwei stromführenden Leitern, die den Wert der magnetischen Permeabilität des Vakuums auf 4π × 10-7 H m-1 festlegte.
- Candela (cd). Einheit der Lichtstärke. Der Wert der Candela basiert nun auf der Lichtausbeute monochromatischer Strahlung mit einer Frequenz von 540 × 1014 Hz, die 683 lm/W beträgt. Vor 2018 war die Candela das Maß für elektromagnetische Strahlung in einer bestimmten Richtung, die eine Intensität von 1/683 (1,46 x 10-3) Watt pro Steradiant bei einer Frequenz von 540 Terahertz (5,40 x 1014 Hertz) hatte.
- Mol (mol). Einheit für eine Stoffmenge. Der Wert des Mols basiert auf der Avogadro-Konstante, die 6,02214076 x 1023 mol-1 beträgt. Ein Mol hat genau 6,022169 x 1023 Elementarteilchen.
Die SI-Norm umfasst auch von den Basiseinheiten abgeleitete Einheiten. Die abgeleiteten Einheiten sind als Produkte von Potenzen der Basiseinheiten definiert. Eine abgeleitete Einheit ist zum Beispiel das Newton, das in Basiseinheiten als 1 kg m/s2 ausgedrückt werden kann. Andere abgeleitete Einheiten sind das Hertz, das Pascal (Einheit für Druck oder Spannung), das Ohm, das Farad, das Joule, das Coulomb, das Tesla, das Lumen, das Becquerel, das Siemens, das Volt und das Watt.
