In Italia l'ente pubblico di ricerca scientifica che svolge le funzioni di istituto metrologico nazionale è l'INRIM. L'INRIM realizza, mantiene e sviluppa i campioni di riferimento nazionali delle sette unità di base del Sistema Internazionale (SI) e delle rispettive unità derivate. Attraverso tali campioni garantisce l’affidabilità delle misure a livello nazionale e la loro comparabilità a livello internazionale.
Quali sono le grandezze che fanno parte del Sistema Internazionale di misura?
Un sistema di unità di misura definisce un insieme di grandezze e le relative unità, che permettono di misurare tutti i fenomeni che descrivono il mondo fisico. Negli anni, oltre alla lunghezza, alla massa e al tempo, sono state definite altre grandezze necessarie per descrivere nuove discipline fisiche: la temperatura per la termodinamica, la corrente elettrica per l’elettromagnetismo, la quantità di sostanza per la chimica e la intensità luminosa per l’illuminotecnica. Oggi il SI si basa su sette “grandezze di base”, ognuna con la propria unità di misura:-
- il tempo, che si misura in secondi;
- la lunghezza, che si misura in metri;
- la massa, che si misura in kilogrammi;
- la temperatura, che si misura in kelvin;
- l'intensità di corrente elettrica, che si misura in ampere
- la quantità di sostanza, che si misura in moli;
- l'intensità luminosa, che si misura in candele.
Quali sono le odierne definizioni delle unità di misura del SI?
Le definizioni delle unità di misura dell'attuale SI sono disomogenee, cioè basate su criteri completamente diversi tra loro. Vediamole una per una. Il secondo, in origine definito attraverso la suddivisione del giorno in parti uguali, è oggi definito attraverso il conteggio delle oscillazioni dell’atomo di cesio. Il metro, originariamente definito come la decimilionesima parte del semimeridiano terrestre, è definito attraverso la velocità della luce e il secondo. Visto che la frequenza di oscillazione dell’atomo di cesio e la velocità della luce sono costanti universali, sia il metro e che il secondo sono definiti attraverso delle costanti che non variano nello spazio e nel tempo. Anche la candela è definita fissando il valore del coefficiente di visibilità. Il kelvin invece è definito attraverso uno stato della materia, cioè assegnando un valore alla temperatura del punto triplo dell’acqua (dove le fasi liquida, solida e gassosa dell’acqua coesistono). Tutte le altre temperature, dallo zero assoluto alle migliaia di gradi, sono estrapolate attraverso funzioni empiriche. L’ampere è definito attraverso un esperimento ideale (misura della forza di attrazione tra conduttori infinitamente lunghi e infinitamente sottili), e in pratica si realizza attraverso esperimenti reali che approssimano la definizione. La mole ha una definizione una definizione sperimentale, che utilizza procedure di pesata. Infine il kilogrammo è definito attraverso un oggetto materiale, cioè, come duecento anni fa, è reso materialmente da un oggetto fisico unico: un piccolo cilindro di una lega di platino-iridio conservato a Sèvres. In particolare la definizione del kilogrammo è sempre stata una spina nel fianco della comunità dei metrologi: se l’intento dei legislatori “rivoluzionari” era di realizzare unità di misura universali, che tutti i popoli potessero, almeno idealmente, riprodurre in autonomia, l’attuale definizione non risponde certo a questi requisiti. Oltre due secoli di ricerche e progresso scientifico non sono bastati per trovare una definizione migliore per l’unità di massa. Solo negli ultimi anni si è riusciti a trovare la “ricetta” per realizzare il kilogrammo attraverso una costante della fisica, come già avviene per il secondo e per il metro. Questo traguardo ha stimolato la revisione di tutto il SI per legare tutte le sette unità ad altrettante costanti della fisica.Quali sono le nuove definizioni delle unità di misura del SI?
Il kilogrammo sarà finalmente definito fissando il valore della costante di Planck, h; nella pratica il kilogrammo si realizzerà confrontando la forza peso generata dalla massa con una forza elettromagnetica attraverso una speciale bilancia: la bilancia di Kibble. La mole si definirà attraverso il Numero di Avogadro, NA. Il kelvin sarà definito attraverso la costante di Boltzmann, k; nella pratica si utilizzeranno speciali termometri in grado di misurare i parametri di un gas attraverso la velocità del suono. L’ampere si definirà attraverso la carica dell’elettrone, e: oggi è infatti possibile definire l'ampere contando uno per uno gli elettroni che attraversano un conduttore in un secondo, anche se per ora soltanto per correnti molto piccole. Come abbiamo detto, metro, secondo e candela, sono già legati a delle costanti e le loro definizioni verranno cambiate solo nella forma, non nella sostanza. Queste le nuove definizioni:-
- secondo | s Il secondo è definito dal valore numerico prefissato della frequenza del cesio ΔνCs (la frequenza della transizione iperfine dello stato fondamentale imperturbato dell’atomo di cesio 133), pari a 9 192 631 770 quando espresso in Hz (che equivale a s−1).
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- metro | m Il metro è definito dal valore numerico prefissato della velocità della luce nel vuoto c, pari a 299 792 458, quando espresso in m s−1.
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- kilogrammo | kg Il kilogrammo è definito dal valore numerico prefissato della costante di Planck h, pari a 6.626 070 15 × 10−34, quando espresso in Js (che equivale a kg m2 s−1).
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- ampere | A L’ampere è definito dal valore numerico prefissato della carica elementare e, pari a 1.602 176 634 × 10−19, quando espresso in C (che equivale ad A s).
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- kelvin | K Il kelvin è definito dal valore numerico prefissato della costante di Boltzmann k, pari a 1.380 649 × 10−23 J K−1 (che equivale a kg m2 s−2 K−1).
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- mole | mol Una mole contiene esattamente 6.022 140 76 × 1023 entità elementari. Questo numero corrisponde al valore numerico prefissato della costante di Avogadro NA, espresso in mol–1, ed è chiamato numero di Avogadro.
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- candela | cd La candela è definita dal valore numerico prefissato del coefficiente di visibilità della radiazione monocromatica con frequenza 540 × 1012 Hz Kcd, pari a 683, espresso in lm W−1, o in cd sr W−1 (che equivale a cd sr kg−1 m−2 s3).
Se vuoi approfondire i dettagli che porteranno alla nuova definizione del kilogrammo, puoi leggere questo Come te lo spiego scritto da Paolo Cavallo.
