Unità del sistema SI: un aggiornamento per gli standards Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Questo aggiornamento definisce ufficialmente le unità base del sistema SI utilizzando le conoscenze delle ultime ricerche scientifiche prendendo in considerazione le costanti fondamentali dell’Universo.

Mentre negli USA si rimane ostinatamente nell’uso delle miglia, delle libbre e dei gradi Fahrenheit, il resto del mondo ha convenuto che utilizzare unità di misura divisibili per dieci è molto più conveniente. Il sistema metrico, anche noto come Sistema Internazionale delle Unità di misura (o più brevemente unità del SI), è un sistema molto più ampio e preciso per misurare l’Universo che gli esseri umani abbiano mai sviluppato, comprendendo le sette unità di base per lunghezza, massa, temp, temperatura, corrente elettrica, luminosità e quantità di materia.

The international SI logo, showing the seven basic units and the fundamental constants their 2019 definitions are based on
Il logo del sistema internazionale SI, mostra le sette unità di base e la costante fondamentale sulla quale nel 2019 si è deciso di ridefinirle.
Immagine gentilmente concessa da BIPM
 

Poiché il sistema metrico è stato introdotto per la prima volta nel 1790, gli scienziati hanno cercato di migliorarne ripetutamente le definizioni. Alcune rivedute definizioni stanno per essere sostituite alle tradizionali prime quattro: – il chilogrammo (kg), il kelvin (K), l’ampere (A) e la mole (M) – allineandole alle definizioni di altre unità, basandosi su costanti naturali. Le definizioni così aggiornate verranno adottate in ambito internazionale durante la Giornata Mondiale di Metrologia (World Metrology Day) che si terrà il giorno 20 Maggio 2019. A seguito di questo aggiornamento, ogni unità di misura di base sarà ridefinita utilizzando le costanti fondamentali dell’Universo.

Metro (distanza)

Ad iniziare dal 1790, il metro fu definito mediante un metro campione costituito da una barra sbarra di platino. I Fisici hanno intravisto che questa distanza poteva essere definita in funzione della velocità della luce [c], misurata con una precisione di una parte su un miliardo, con l’ausilio di un interferometro (strumento dello stesso tipo utilizzato per rivelare l’esistenza delle onde gravitazionali). Il metro [m] attualmente è definito come la distanza percorsa da un raggio luminoso (nel vuoto) nell’intervallo di 1/299 792 458.mo di secondo e che rimarrà effettivamente invariato dopo l’aggiornamento.

Kilogrammo (massa)

The International Prototype Kilogram (IPK), a cylinder of platinum-iridium alloy kept at BIPM in France
Il Prototipo Internazionale
del kilogrammo (IPK), un
cilindro di platino iridio
conservato al BIPM in Francia

Immagine gentilmente
concessa da BIPM
 

Per oltre un secolo, il kilogrammo standard è stato definito da un piccolo cilindro di platino iridio custodito presso il Registro Internazionale dei Pesi e delle Misure (BIPM), nei pressi di Parigi, Francia. Ma anche se accurata la sua massa è sottoposta a variazioni per effetto, ad esempio, della polvere che si accumula sul cilindro. L’ultimo aggiornamento definisce il kilogrammo (kg) considerando la costante di Planck, che ha il valore di 6,626070040 x 10-34 kg m2 s-1. La costante di Planck rappresenta la più piccola quantità di energia (quantizzata), Questo valore fondamentale rappresentato con la lettera h è parte integrante del calcolo delle energie nella fisica delle particelle.

Secondo (tempo)

Una delle prime definizioni di secondo si basava sulla divisione del periodo di tempo intercorso tra due lune piene. Più tardi, il secondo fu definito dalla durata dei giorni solari, e dal tempo impiegato dalla Terra a compiere un’orbita attorno al Sole. Oggigiorno i secondi (s) sono definiti dal tempo atomico, che ha una precisione di una parte su 10 miliardi. Il tempo atomico si basa sui periodi di radiazione prodotte e assorbita dagli atomi, detta “frequenza iperfina di transizione” (Δν). Attualmente definiamo un secondo come 9 192 631 770 volte un periodo di transizione della radiazione di un atomo di Cesio-133 e rimarrà effettivamente invariata dopo l’aggiornamento.

Kelvin (temperatura)

La scala kelvin delle temperature ha il suo punto più basso equivalente alla temperatura più fredda che può raggiungere la materia. Attualmente il kelvin è definito dal punto triplo dell’acqua – cioè la temperatura alla quale coesistono i tre stati dell’acqua (solida, liquida e aeriforme). Il punto triplo, così definito corrisponde ad una temperatura kelvin di 273,16 K, così un kelvin è 1/273,16.mo della temperatura del punto triplo. Ma l’acqua non può essere considerata pura, e le impurità possono influenzare la determinazione del punto triplo. Nel Maggio del 2017 un gruppo di fisici, ricercatori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Germania hanno effettuato una misura ancora più precisa della costante di Boltzmann. Indicata dalla lettera k, la costante di Boltzmann la ritroviamo in tutte le formule che riguardano le temperature e l’entropia, ed è legata al movimento delle particelle di un gas e alla sua temperatura (energia cinetica media). Questi risultati si sono utilizzati per ridefinire l’unità di temperatura ponendo il valore della costante di Boltzmann esattamente a 1,38064852 x 1023 joule (J) per kelvin. 

Melting ice: water can exist in all three states – solid, liquid and gas – only at 273.16 K (or 0.01°C), the ‘triple point’ of water.
L’acqua può co-esistere nei tre stati esclusivamente al suo ‘punto triplo’.
Paul Vladuchick/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
 

Ampere (corrente elettrica)

André-Marie Ampère (1775–1836), che è spesso considerato il padre dell’elettrodinamica, ha avuto l’onore di avere assegnato con il suo nome l’unità di misura della corrente. Sino ad oggi, l’ampere (A) è stato definito come la quantità di corrente necessaria ad esercitare una forza di 2 x 107 newton(N) tra due conduttori paralleli di lunghezza infinita, per ogni metro di conduttore. Naturalmente la verifica è alquanto ardua per la lunghezza infinita dei due conduttori, così si è pensato di aggiornarne la definizione prendendo in considerazione la carica fondamentale di una particella. Questa nuova definizione è legata alla carica dell’elettrone, e, il cui valore è 1,6021766208 x 10-19 ampere secondo.

Candela (luminosità)

The light emitted by a single candle is roughly equal to one candela, the SI unit of luminosity.
La luce emessa da una
singola candela è
approssimativamente uguale
a una candela.

tristangage/Flickr, CC BY-NC-
ND 2.0
 

L’ultima delle unità di misura fondamentali del sistema SI che sarà definita è quella relativa alla quantità di luminosità, o più brevemente, luminosità, la candela. Lo standard iniziale prevedeva che l’utilizzo della candela nel fenomeno caratteristico della meccanica quantistica, chiamato radiazione del corpo nero, la quale rappresenta la quantità di luce emessa dai corpi in relazione alla loro temperatura. Attualmente la candela (cd) è definita come 1/683 watt per radiante quadrato alla frequenza di 540 x 1012 hertz (Hz) da una certa area, definizione che rimarrà in effetti, invariata. Vi pare difficile immaginare a quanto equivale una candela? Pensate allora che una candela normale emette circa una intensità di luminosità di una candela.

Mole (quantità di materia)

Differentemente da ogni altra unità fondamentale, la mole misura quantità ed è solo un numero. Da centinaia di anni a partire da Amedeo Avogadro (1776-1856) si cerca di capire quanti atomi una certa quantità di materia, questa ricerca ha condotto all’attuale definizione di mole (M): il numero di atomi contenuti in 12 grammi di Carbonio-12. Questo numero è noto come costante di Avogadro (NA) e corrisponde a 6 x 1023. Al fine di rendere indipendente dal kilogrammo la costante di Avogadro possiamo considerare quest’ultimo valore: 6,022140857 x 1023 che non fa riferimento al kilogrammo.

A balloon, a flask and a beaker, each containing one mole of a substance. The balloon contains one mole of a gas, the beaker one mole of solid nickel (II) chloride, and the flask one mole of copper (II) sulfate in one litre of water (a one-molar solution).
Un pallone, una beuta e un beaker, ciascuno contenente una mole di una sostanza. Il pallone contiene una mole di gas, il beaker una mole di cloruro di nickel solido (II), e la beuta contiene una mole di solfato di rame (II) in un litro d’acqua (soluzione uno-molare).
Science Photo Library

Riconoscimenti

Questa è una versione tratta da un articolo pubblicato per la prima volta su Symmetry una rivista on line il 7 Novembre del 2017w1

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Web References

  • w1 – Symmetry magazine è una rivista pubblicata on line che si occupa di fisica delle particelle. È pubblicata dal Laboratorio Nazionale Fermi in collaborazione con SLAC Acceleratore Nazionale, USA. Per leggere l’articolo originale, visitare il sito web del ​Symmetry.

Resources

Author(s)

Dan Garisto è uno scrittore scientifico. Puoi ritrowarlo su Twitter a @dangaristo.


Review

Le scienze e la tecnologia, in questo ultimo secolo, hanno compiuto grandi progressi, con le nuove tecnologie si è raggiunta, nelle misure, una precisione sempre più grande. Come questo articolo illustra, anche la metrologia ha reagito a questo progresso.

Nel loro primo anno di studio della fisica, gli studenti imparano le unità di misura del Sistema SI ma non ne comprendono a fondo la fisica che vi sta dietro a queste definizioni. Questo articolo può essere utilizzato come introduzione alla fisica delle prime unità fondamentali di misura, a studenti di età compresa tra gli 11–16 anni, le altre unità di misura, a studenti che sono più avanti nello studio della fisica.

Le informazioni sulle definizioni delle unità di misura si possono utilizzare anche in altri modi – ad esempio, concentrandosi sulle definizioni, una volta che si siano capiti i concetti delle unità di misura. Così per esempio, durante lezioni sulle onde gravitazionali si può introdurre l’idea di misura tramite gli interferometri, ci si può collegare alla definizione di metro.

Tra le domande che si possono porre agli studenti per verificare la conoscenza delle unità di misura fondamentali:

  • Cosa è il Sistema di Misure Internazionali?
  • Descrivere le differenze tra il SI e il sistema di misura delle unità negli USA
  • Scrivere il nome di tutte e sette le unità di misura fondamentali come definite dal Sistema SI
  • Perché sono state modificate alcune definizioni delle unità di misura?
  • Scegliete una quantità fisica dal sistema SI e spiegatene la definizione delle unità.

Gerd Vogt, insegnante di fisica e coordinatore per le scienze e la tecnologia, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




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