Jednostki podstawowe układu SI

Punktem wyjścia dla stosowanego układu jednostek są jednostki podstawowe. Nie da się jednej jednostki podstawowej otrzymać z drugiej jednostki podstawowej za pomocą jakiegoś wzoru. Poza tym każda jednostka podstawowa jest ustalana w oparciu fizycznie istniejące ciało, lub doświadczenie. 

Układ SI często jest nazywany układem MKS. Wynika to z faktu, że jego podstawowymi jednostkami związanymi z mechaniką są Metr, Kilogram, Sekunda. W odróżnieniu od niego w rzadko dziś używanym układzie CGS jednostką długości był Centymetr (zamiast metra), a jednostką masy Gram (zamiast kilograma) i tylko sekunda była wspólną jednostką w obu typach układów.

Jednostki podstawowe układu SI

Nazwa wielkości nazwa jednostki

skrót literowy

długość metr

m

masa kilogram

kg

czas sekunda

s

natężenie prądu amper

A

temperatura kelwin

K

ilość substancji mol

mol

światłość źródła światła kandela

cd

Definicje wielkości podstawowych

1 metr jest równy drodze jaka przebywa w próżni światło w ciągu czasu 1/299792458 sekundy.

Uwagi: Pierwotnie 1 metr miał być równy 1/40 000 części ćwiartki południka Ziemskiego. Później dopiero stwierdzono, że nie jest zbyt wygodnie określać jednostkę wymagającą odbywania podróży dookoła Świata. Poza tym Ziemia zmienia w niewielkim stopniu swój kształt, więc i sam metr nie byłby stabilnie określony. Mimo zmiany definicji "obecny metr" jest w z dobrym przybliżeniem zgodny z pierwotnym "metrem geograficznym".
Więcej na temat tej jednostki można przeczytać w rozdziale poświęconym długości.

 

1 sekunda jest to czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania związanego z przejściem miedzy dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu Cs - 133.

Uwagi: Rodowód sekundy jest oczywisty - jest to 1/3600 godziny, która jest 1/24 doby, która jest mniej więcej 1/365 roku. Tak więc sekunda wywodzi się z astronomii - z czasu w jakim wykonuje obrót Ziemia. Tak początkowo wybrana jednostka nie była jednak zbyt wygodna, ponieważ Ziemia nie obraca się ze stałą prędkością, więc sekunda, też byłaby zmienna...
Więcej na temat tej jednostki można przeczytać w rozdziale poświęconym czasowi.

1 kilogram jest masą międzynarodowego wzorca kilograma

Uwagi: pierwotnie kilogram był określany jako masa 1 litra wody. Ale woda to dosyć skomplikowana substancja (może mieć różny skład izotopowy atomów, zanieczyszczenia, nawet coś w rodzaju struktury krystalicznej), więc trudno byłoby utrzymać stabilność takiej jednostki. Nic dziwnego, że później definicję zmieniono. Starano się jednak zachować zgodność między stara, a nową jednostką. Dlatego w przybliżeniu dalej można uważać, że 1kg jest masą 1l (chłodnej) wody.

1 kelwin jest to jednostka temperatury termodynamicznej równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.

Uwagi: u podstaw kelwina leży wcześniejsza jednostka, czyli stopień Celsjusza -  °C. Różnica temperatur w kelwinach i w °C jest taka sama. 100K to różnica temperatur między punktem zamarzania i wrzenia wody pod ciśnieniem normalnym
Konieczność zmiany definicji jednostki pojawiła się wraz z rozwojem wiedzy o naturze zjawisk cieplnych okazało się, że lepiej jest związać definicję jednostki temperatury z temperaturą zera bezwzględnego (czyli -273,15°C) i z temperaturą punktu potrójnego wody. Punkt potrójny wody jest bardzo stabilnym punktem temperaturowym (stabilniejszym niż temperatury topnienia i wrzenia), a zero bezwzględne, jest to temperatura w której zanikają ruchy cieplne cząsteczek i atomów. 

1 amper jest to natężenie takiego prądu stałego, który płynąc w dwu nieskończenie długich, nieskończenie cienkich przewodach prostoliniowych umieszczonych równolegle w próżni w odległości 1m od siebie wywołałby miedzy nimi siłę magnetyczną o wartości 2×10-7 N na każdy metr długości przewodnika.

Uwagi: Nikt oczywiście nie buduje nieskończonego przewodnika, żeby przekonać się ile to jest 1 amper. Są wzory, które pozwalają na przeliczenie układu nieskończonego na inny, bardziej mierzalny i "budowalny" - np. solenoid.
Amper ma związek z inną ważną jednostką - kulombem, czyli jednostką ładunku (naboju) elektrycznego.

 

1 kandela jest to światłość jest to światłość, jaka ma w danym kierunku źródło emitujące monochromatyczne promieniowanie o częstości 
540 1012 Hz i mające w tym kierunku wydajność energetyczną 1/683 W/Sr

Uwagi: Pierwotnie światłość była definiowana w oparciu o złożony układ doświadczalny - tzw. "promiennik zupełny". Jednak nie jest to najwygodniejsza droga, bo percepcja światła przez człowieka jest procesem skomplikowanym i przeliczenia jednych wartości na drugie też byłyby bardzo trudne. Aktualna definicja upraszcza wiele problemów pojawiających się podczas interpretacji zjawisk za pomocą starej jednostki.

1 mol jest to ilości materii zawierającej tyle samo elementów ile jest atomów zawartych w 0,012 kg czystego nuklidu węgla C-12.

Uwagi: Mol jest jednostką tak dobraną, że masy atomów i cząsteczek podane w jednostkach masy atomowej łatwo przeliczają się na masy moli w gramach. Np. masa atomowa tlenu jest równa 16, co oznacza z jednej strony, że pojedynczy atom tlenu ("średni", bo poszczególne izotopy różnią się masą atomów) ma masę 16 a.j.m., a z drugiej strony mol atomów tlenu ma masę 16 g. Jednak trzeba pamiętać, że powyższa reguła obowiązuje jedynie w przybliżeniu, bo (z powodu istnienia różnych i różnie zawartych w próbce pierwiastka izotopów) atomy nie mają mas będących dokładnie wielokrotnością pewnej masy elementarnej.

Więcej informacji o molu znaleźć można w rozdziale Mol.