Hệ đo lường quốc tế (SI) là gì?

LỊCH SỬ RA ĐỜI

Thuở xưa, con người bắt đầu trao đổi kinh tế như hàng hóa, gia súc để duy trì cuộc sống. Chẳng hạn một bao gạo đổi được một con gà. Mọi thứ lúc đó có thể qui đổi bằng bao gạo, một con gà. Dần dà, những đơn vị này không còn hữu dụng nữa vì hàng hóa ngày càng đa dạng và nhu cầu của con người thay đổi từng ngày.  

• Trong suốt thời kì cách mạng ở Pháp, giới trí thức và nhà khoa học đã “mơ tưởng” đến một hệ thống đo lường toàn cầu. Cùng lúc đó, số thập phân ra đời.
• Năm 1875, công ước Mét (Convention du Mètre) được kí kết bởi 17 quốc gia. Đây được xem là bản kí kết quốc tế trong lĩnh vực khoa học đo lường, được gọi là Đo lường học (Metrology). Ban đầu, 3 đơn vị xuất hiện trong hệ thống này là kilogram (kg – đơn vị đo khối lượng), metre (m – đơn vị đo độ dài), giây (s – đơn vị đo thời gian).
• Đến năm 1946, khoa học phát triển hơn và Ampere (kí hiệu A – đơn vị đo cường độ dòng điện) được thêm vào hệ thống SI.
• Năm 1954, Kelvin (K – đơn vị đo nhiệt độ) và Candela (cd – đơn vị cường độ của bức xạ phát sáng) tiếp tục được thêm vào.
• Năm 1960, tên gọi Hệ thống Đo lường Quốc tế (SI) chính thức ra đời.
• Mãi đến năm 1971, mole (mol – đơn vị đo lượng chất có chứa trong 6.023x10²³ số hạt đơn vị nguyên tử hoặc phân tử chất đó) gia nhập vào hệ thống SI. Kể từ đó, SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản chúng ta dùng cho đến ngày nay.

ĐỊNH NGHĨA BẢY ĐƠN VỊ TỰ NHIÊN

Để “hợp thức hóa” hệ thống SI, các đơn vị trong hệ này cần được định nghĩa như hằng số tự nhiên. Định nghĩa chính của bảy đơn vị cơ bản của hệ SI như sau:

1. Mét (m)

Đơn vị: Độ dài

Hằng số tự nhiên: Vận tốc ánh sáng

Định nghĩa là độ dài quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong thời gian 1/ 299792458 giây.

2. Kilogam (kg)

Đơn vị: Khối lượng

Hằng số tự nhiên: Hằng số Planck

Định nghĩa: Một kilogram bằng tỉ số giữa hằng số Plank và 6.626070150x10^-34 m^-2s.

3. Giây (s)

Đơn vị: Thời gian

Hằng số tự nhiên: Tần số dịch chuyển cấu trúc siêu tinh tế của nguyên tử Cesium 133.

Định nghĩa: Khoảng thời gian bằng 9192 631770 chu kỳ của bức xạ tương ứng với  dịch chuyển giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử Cesium 133.

4. Ampe (A)

Đơn vị: Dòng điện

Hằng số tự nhiên: Điện tích của electron

Định nghĩa: Cường độ của dòng điện không đổi nếu được duy trì ở hai dây thẳng dài, song song, dài vô hạn, tiết diện nhỏ, cách nhau 1 mét trong chân không, gây ra trên 1 mét dài mỗi dây một lực bằng 2.10^-7 Newton.

5. Kelvin (K)

Đơn vị: Nhiệt độ

Hằng số tự nhiên: Hằng số Boltzmann

Định nghĩa: Bằng lượng thay đổi nhiệt lượng 1.380649x10^-23 joule.

6. Mole (mol)

Đơn vị: Lượng vật chất

Hằng số tự nhiên: Hằng số Avogadro

Định nghĩa: Lượng chất của một hệ bao gồm 6.02214076x10²³ nguyên tử hay phân tử.

7. Candela (cd)

Đơn vị: Cường độ sáng

Hằng số tự nhiên: Hiệu suất độ sáng của ánh sáng đơn sắc có tần số 540x10¹² Hz

Định nghĩa: Cường độ sáng của một nguồn phát có tần số là 540x10¹² Hz và cường độ bức xạ là 1/683 watt trên một đơn vị steradian góc khối.

ĐƠN VỊ DẪN XUẤT

Đơn vị dẫn xuất là các đơn vị được “dẫn” ra từ các đơn vị cơ bản, chúng thường là tích nhiều đơn vị cơ bản với số mũ lũy thừa khác nhau. Ví dụ: Lực có đơn vị dẫn xuất là Newton (N), đơn vị “chuẩn SI” là kg.m.s^-2 (đơn vị Newton được suy ra từ biểu thức định luật II Newton F = m.a nên 1 N = 1 kg.m.s^-2).

Sau đây là một số đơn vị dẫn xuất của hệ SI thông dụng:

• Radian (rad) là góc trương tại tâm của một hình tròn theo một cung có chiều dài bằng chiều dài bán kính của đường tròn. Như vậy có $2\mathrm{\pi }$ radian trong một hình tròn.
• Steradian (sr) là góc khối trương tại tâm của một hình cầu có bán kính r theo một phần trên bề mặt của hình cầu có diện tích r². Như vậy chúng ta có $4\mathrm{\pi }$ steradian trong một hình cầu.
• Herzt (Hz) là đơn vị đo tần số, 1 Hz =1s^-1
• jun (J) là đơn vị đo năng lượng, 1 J = 1Nm = m²/s²
• Watt là đơn vị đo công suất, 1 Watt = 1 J/s = 1 kg.m²/s³.
• Pascal (Pa) là đơn vị đo áp suất, 1 Pa = 1 N/m² = 1 kg/m.s²
• Lumen (lm) là đơn vị đo quang thông.
• Lux (Ix), là đơn vị đo độ rọi, 1 lx =1 cd/m².
• l colomb (C) là đơn vị đo điện tích, 1 C = 1 A.s.
• Vôn (V) là đơn vị đo điện thế, 1 V = 1 J/C =1 kg.m²/A.s^-3.
• ohm ($\Omega$) là đơn vị đo điện trở, 1 $\Omega$ = 1V/A = 1 kg.m²/A².s ³
• farad (F) là đơn vị đo điện dung, 1 F = 1 s/Q = 1 A².s⁴/ kg.m².
• Webe (Wb) là đơn vị đo từ thông, 1 Wb =1 kg.m²/s².A.
• esla (T) là đơn vị đo cảm ứng từ 1 T = 1 Wb/m² = 1 kg/s².A.
• henry (H) là đơn vị đo cường độ từ trường, 1 H = 1 kg.m²/A².s².
• siemens (S) là đơn vị đo độ dẫn điện, 1 S =1 ^-l = 1 A².s³/kg.m².
• becquerel (Bq) là đơn vị đo cường độ phóng xạ, 1 Bq = 1 s^-1.
• gray (Gy) là đơn vị đo lượng hấp thụ bức xạ ion, 1 Gy = 1J/kg.
• katal (kat) là đơn vị đo độ hoạt hoá xúc tác, 1 kat = 1 moll.

Các đơn vị phi SI được chấp nhận sử dụng với hệ SI 

• phút (min) là đơn vị đo thời gian 1 h = 60 min = 3600s
• ngày (d) là đơn vị thời gian, 1 d = 24 h =1 140 min = 86.400 s.
• độ (của cung) là đơn vị đo góc, 1 = ($\mathrm{\pi }$/180) rad.  
• phút (của cung) là đơn vị đo góc, 1'= (1/ 60) = ($\mathrm{\pi }$t/ 10 800) rad.
• giây (của cung) là đơn vị đo góc, 1" = (1/ 60)' = (1/ 648000) rad.
• Lít (l) là đơn vị đo thể tích, 1 l = 0,001 m³.
• Tấn (t) là đơn vị đo khối lượng, 1 t =1000 kg. 

Các đơn vị kinh nghiệm phi SI được sử dụng với hệ SI

• electron - Volt (eV) là đơn vị năng lượng, 1 eV = 1,602.10^-19
• Đơn vị khối lượng nguyên tử  (u), 1 u = 1,66.10^-27
• Đơn vị thiên văn (au) là đơn vị đo độ dài, 1 au = 1,496.10¹¹

Các đơn vị phi SI khác được chấp nhận dùng trong hệ SI

• Hải lý là đơn vị đo độ dài trên biển, 1 hải lý = 1.852 m.
• knot (knot) là đơn vị đo vận tốc, 1 knot = 1 hải lý/giờ.
• a là đơn vị đo diện tích, 1 a = 100 m². hecta (ha) là đơn vị đo diện tích, 1ha = 100 a = 10000 m².
• bar (bar) là đơn vị đo áp suất, 1 bar = 10⁵ N/m². 
• angstrom () là đơn vị đo độ dài, 1A = 0,1nm = 10m.
• barn (b) là đơn vị đo diện tích, 1 b = 10^-28 m². 

Bích Phương sưu tập, có chỉnh sửa bổ sung. 
Tham khảo: Vật lý hỏi và đáp - NXB Đại học quốc gia 
Tác giả: Nguyễn Hữu Thọ