SI - UNITA` FONDAMENTALI

Il S.I. prevede 7 grandezze fondamentali e ne definisce le unità di misura:

Da maggio 2019 le 7 unità sono definite in relazione a 7 costanti di definizione (defining constants), cui è stato assegnato un valore esatto. 

Definizioni delle unità di misura (valide da maggio 2019)

Intervallo di tempo

Il secondo è definito attribuendo il valore esatto 9 192 631 770 s-1 alla frequenza ΔνCs della radiazione emessa dall'atomo di Cesio 133 nella transizione tra i due livelli iperfini (F=4, M=0) e (F=3, M=0) dello stato fondamentale 2S(1/2).

Il ¹³³Cs ha un nucleo formato da 55 protoni e 78 neutroni. Lo stato fondamentale è lo stato in cui un atomo ha la configurazione elettronica di minima energia. La suddivisione dello stato fondamentale in livelli iperfini è dovuta all'interazione degli elettroni con il momento magnetico del nucleo; la differenza in energia ΔE tra i livelli iperfini è molto piccola rispetto alla differenza in energia tra i livelli principali dell'atomo.
Durante la transizione tra due livelli di energia l'atomo emette onde elettromagnetiche di frequenza ν=ΔE/h, corrispondente ad una lunghezza d'onda λ=c/ν e un periodo T=1/ν; h è la costante di Planck e c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto.
La radiazione emessa dal ¹³³Cs durante la transizione in questione ha frequenza ν ≈ 10¹⁰ Hz e lunghezza d'onda λ ≈ 3 cm (cade quindi nella regione delle microonde). Il secondo è pertanto definito come un multiplo intero del periodo T=1/ν della radiazione emessa dal cesio.
Il campione primario del secondo è costituito da un orologio al cesio. Un orologio al cesio può commettere un errore massimo relativo di 1x10^-12, equivalente a 1 ms ogni 12 giorni.

Lunghezza

Il metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo.

La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto (velocità della luce) è una costante fondamentale della Fisica. Il suo valore è assunto come esatto (cioè privo di incertezza) e immodificabile: c = 299 792 458 m/s.  Campioni primari del metro possono venire realizzati con metodi diversi, compatibili con la definizione.

Massa

Il kilogrammo è definito attribuendo un valore esatto alla costante di Planck h, alla velocita' della luce nel vuoto c e alla frequenza ΔνCs del cesio.

La costante di Planck h e' una costante fondamentale della Fisica ed interviene nella descrizione di molti fenomeni a livello atomico nell'ambito della Meccanica Quantistica. Campioni primari del chilogrammo possono venire realizzati con metodi diversi, compatibili con la definizione.

Temperatura

Il kelvin è definito in relazione al valore esatto della costante di Boltzmann kB.

La costante di Boltzmann e' una costante fondamentale della Fisica statistica. Il prodotto k_BT e' una misura dell'energia termica di un sistema microscopico. L'aumento di temperatura di 1 K da' origine ad un aumento di energia microscopica k_BT = 1.380 649 x 10-23 J.
La temperatura termodinamica assoluta è definita in relazione al rendimento di un ciclo termodinamico ideale, il ciclo di Carnot; la sua misurazione è ricondotta alla misurazione di un rapporto tra quantità di calore, o più in generale di un rapporto tra due valori di un'altra grandezza direttamente misurabile.

Quantità di sostanza

La mole è la quantità di sostanza che contiene esattamente 6.022 140 76 x 1023  entità elementari. Quando si usa la mole, deve essere specificata la natura delle entità elementari, che possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, altre particelle o gruppi specificati di tali particelle.

Il numero di entità elementari che costituiscono 1 mole è detto Numero di Avogadro; il suo valore e' assunto esatto.

Intensità di corrente elettrica

L' ampere è la corrente che corrisponde al flusso di 1 C (unita' di carica) al secondo, cioe' di 1/e = 1/1.602 176 634 x 10-19 cariche elementari al secondo.

Nella realizzazione pratica dei campioni primari si fa ricorso alla legge di Ohm I=V/R e si realizza l'unità di corrente (ampere) come rapporto tra le unià di differenza di potenziale (volt) e di resistenza (ohm).
I campioni del volt e dell'ohm sono oggi realizzati ricorrendo a due fenomeni quantistici, rispettivamente l'effetto Josephson e l'effetto Hall quantistico.

Intensità luminosa

La candela è l'intensità luminosa, in un'assegnata direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540x1012 Hz e la cui intensità energetica in tale direzione è 1/683 W/sr. (16a CGPM, 1979)

La fotometria misura le proprietà della radiazione elettromagnetica nell'intervallo di sensibilità dell'occhio umano (la cosiddetta luce visibile). L'occhio umano medio è sensibile alla radiazione elettromagnetica con lunghezze d'onda comprese tra circa 400 nm e circa 750 nm (rispettivamente colori violetto e rosso). Il massimo di sensibilità si ha per una lunghezza d'onda di circa 556 nm, corrispondente ad una frequenza di 540x10¹² Hz.
L'intensità luminosa è la grandezza fondamentale della fotometria. L'intensità luminosa corrisponde all'energia emessa da una sorgente nell'unità di tempo e nell'unità di angolo solido, pesata dalla curva media di sensibilità dell'occhio umano.

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Origine dei nomi delle unità di misura

secondo	Abbreviazione per minuto secondo. Il minuto è un'unità di misura sessagesimale per gli angoli e per il tempo (unità non legalmente autorizzata dal S.I.). Dal latino minutum, participio passato di minuere = rendere più piccolo. Si distinguono: minuto primo = minuto = 1/60 di grado (angoli) opp. 1/60 di ora (tempo) minuto secondo = secondo = 1/60 di minuto primo
metro	Dal greco méetron, latino metrum = misura (in senso generale, non specificatamente di lunghezza). Il termine metro viene usato in varie accezioni nel Medio Evo e nel Rinascimento. Il 26-5-1791 l'Accademia francese delle Scienze propone il termine metro per l'unità di lunghezza, definita come la frazione 1/10000000 dell'arco di meridiano dal polo all'equatore.
kilogrammo	Da kilo + grammo = 1000 grammi. Il termine grammo (francese gramme) fu introdotto con il significato attuale dalla riforma metrica francese di fine 700. Deriva dal tardo latino gramma = 1/24 di oncia.
kelvin	Dal nome del fisico inglese William Thomson, lord Kelvin (Belfast 1824 - Neterhall 1907). Professore di fisica all'Università di Glasgow, presidente della Royal Society. Ha dato contributi fondamentali alla ricerca nel campo della termodinamica.
ampère	Dal nome del fisico e matematico francese André-Marie Ampère (Lione 1775 - Marsiglia 1836). Professore di matematica all'Ecole Polytechnique e di fisica al Collège de France. Ha dato un contributo fondamentale alla comprensione e sistemazione teorica dell'elettrodinamica.