Internationales Einheitensystem (SI)

Im Internationalen Einheitensystem, auch als SI bezeichnet (das ist die Abkürzung für das französische Système International d' Unitès) sind Basiseinheiten (Grundeinheiten) für sieben physikalische Größen festgelegt. Aus diesen sieben Basiseinheiten lassen sich die meisten anderen Einheiten des Internationalen Einheitensystems ableiten.

Basiseinheit Kilogramm (Zeichen: kg) als Einheit für die Masse:
Das Kilogramm ist gleich der Masse des internationalen Kilogrammprototyps.

Basiseinheit Meter (Zeichen: m) als Einheit für die Länge:
Das Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft.

Basiseinheit Sekunde (Zeichen: s) als Einheit für die Zeit:
Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs-133 (Caesium) entsprechenden Strahlung.

Basiseinheit Ampere (Zeichen A) als Einheit für die elektrische Stromstärke: 
Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigen Querschitt fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft von $2\cdot {10}^{-7}$ Newton hervorrufen würde.

Basiseinheit Kelvin (Zeichen: K) als Einheit für die Temperatur: 
Das Kelvin ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.

Basiseinheit Mol (Zeichen: mol) als Einheit für die 
Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids ${}^{12}C$ enthalten sind. Bei Benutzung des Mol müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein.

Basiseinheit Calenda (Zeichen: cd) als Einheit für die 
Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz $540\cdot {10}^{12}$ Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt.

Abgeleitete Einheiten

Aus diesen Basiseinheiten können weitere Einheiten abgeleitet werden. Eine abgeleitete Einheit ist z.B. die Einheit für das Volumen: Ein Kubikmeter (1 $m^3$) ergibt sich aus der Basiseinheit Meter.

Verschiedene abgeleitete Einheiten haben auch spezielle Bezeichnungen erhalten. So ist z.B. die Einheit für die Kraft das Newton (Zeichen: N):$1\text{ N}=1\text{ kg}\cdot m\cdot s^{-2}$.

Die Einheit für die Kraft ist aus den Basiseinheiten Kilogramm, Meter und Sekunde zusammengesetzt.

Verantwortlich für die Darstellung der gesetzlichen Einheiten und für die Aufbewahrung von Normalen (z. B. die Kopie des Urkilogramms, siehe Bild 1) ist in der Bundesrepublik Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und Berlin.

Zur Geschichte des Internationalen Einheitensystems

Im 19. Jahrhundert gab es zahlreiche Bemühungen für die Einheiten von Größen zu internationalen Vereinbarungen zu kommen. Der Grund für diese Bemühungen lag nicht nur in der schnellen Entwicklung der Naturwissenschaften selbst, sondern auch im zunehmenden Austausch von Informationen und Waren zwischen den verschiedenen Ländern. Unterschiedliche Einheitensysteme und ungenaue Festlegungen erschwerten den Austausch von Informationen und Waren. Nachfolgend sind einige wichtige Etappen der Entwicklung des Internationalen Einheitensystems genannt.

• 1800: In Frankreich führt eine Kommission unter Leitung des Mathematikers PIERRE SIMON LAPLACE (1749-1827) die Definition der Längeneinheit „Meter“ offiziell ein. Das Meter wird festgesetzt als 40-millionster Teil des durch Paris verlaufenden Längengrades der Erde.
   
• 1806: Die französischen Mathematiker PIERRE FRANCOIS ANDRE MECHAIN und JEAN-BAPTISTE JOSEPH DELAMBRE erarbeiten eine wissenschaftliche Grundlage für das metrische Maßsystem. Die Wissenschaftler gehen von dem in Paris hinterlegten Urmeter aus. Für Vielfache und Teile benutzten die Mathematiker das Dezimalsystem und führten die Vorsilben Kilo-, Dezi-, Zenti- und Milli- ein. Vom Meter wird die Volumeneinheit Kubikdezimeter abgeleitet, die sie Liter nennen. Davon wiederum leiten sie die Masseeinheit her: 1 kg ist die Masse von einem Kubikdezimeter Wasser bei 4 °C. Als Zeiteinheit fügen sie die Sekunde als 86 400sten Teil eines mittleren Sonnentages hinzu.
   
• 1833: Einen wichtigen Schritt machen die deutschen Forscher CARL FRIEDRICH GAUSS (1777-1855) und WILHELM EDUARD WEBER (1804-1891) mit der Schaffung des cgs-Systems. Basiseinheiten dieses Systems waren das Zentimeter (Zeichen: cm), das Gramm (Zeichen: g) und die Sekunde (Zeichen: s); daher auch die Bezeichnung cgs-System.
   
• 1871: Im Deutschen Reich wird das metrische Maßsystem mit einem Reichsgesetz als verbindliches Einheitensystem eingeführt.

• 1875: Es erfolgt der Abschluss der Internationalen Meterkonvention, bei der international ein Meter als Längeneinheit und ein Kilogramm als Masseeinheit vereinbart werden. Das ist ein wichtiger Schritt zur Vereinheitlichung der Definition physikalischer Einheiten.
   
• 1881: In Paris tagt der erste Elektrikerkongress und trifft zahlreiche Festlegungen zu Maßeinheiten. So wird z. B. das von GAUSS und WEBER entwickelte cgs-System übernommen. Darüber hinaus werden auch die Einheiten Ampere, Coulomb, Farad, Ohm und Volt festgelegt. So ist z. B. ein Ampere die Stromstärke, die bei der Elektrolyse von Silbersalzen in einer Sekunde 1,118 mg Silber abscheidet.
   
• 1889: Auf der 1. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM, Abkürzung für das französische Conférenze Générale des Poids et Mesures) werden die ersten Definitionen der internationalen Basiseinheiten „Meter“ und „Kilogramm“ getroffen. Das Urkilogramm, ein Zylinder aus Platin und Iridium von 39 mm Höhe und 39 mm Durchmesser, wird in Sèvres bei Paris aufbewahrt. Die Kopie Nr. 52 für Deutschland befindet sich in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, ebenso die Kopie für das Urmeter.
   
• 1946: Der amerikanische Physiker WILLARD FRANK LIBBY erfindet die Atomuhr. Der erste Zeitmesser dieser Art wird zwei Jahre später für das National Bureau of Standards, das nationale amerikanische Normungsinstitut, gebaut. Die Uhr arbeitet durch Zählen der Eigenschwingungen von Caesiumatomen. 1967 wird die aus Caesiumatom-Schwingungen bestimmte Sekundendauer als neue internationale Zeiteinheit festgelegt.
   
• 1960: Durch die 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht wird die Bezeichnung „Systeme International d' Unites“ (Internationales Einheitensystem) und die Abkürzung SI für dieses System festgelegt. Die international vereinbarten SI-Basiseinheiten sind
  • das Meter (1 m) als Einheit der Länge bzw. des Weges,
  • das Kilogramm (1 kg) als Einheit der Masse,
  • die Sekunde (1 s) als Einheit für die Zeit,
  • das Ampere (1 A) als Einheit für die Stromstärke,
  • das Kelvin (1 K) als Einheit für die Temperatur,
  • das Mol (1 mol) als Einheit für die Stoffmenge,
  • die Candela (1 cd) als Einheit für die Lichtstärke.
     
• 1967: Die 13. CGPM legt fest: Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs-133 entsprechenden Strahlung. In Deutschland werden Zeitsignale über die Atomuhr in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig gesteuert, darunter auch die Zeitsignale für Funkuhren, die über den Sender DCF 77 der Telekom in Mainflingen bei Frankfurt/Main abgestrahlt werden.
  Auf der gleichen Konferenz wird festgelegt: Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers.
   
• 1983: Die 17. CGPM legt als internationale Basiseinheit das Meter neu fest: Es ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft. Damit wird die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als eine Konstante angenommen. Bis dahin war die Sekunde festgelegt als der 86 400-ste Teil des mitteleren Sonnentages (bis 1956) bzw. als der 31 556 925,974 4-ste Teil des tropischen Jahres.

Eine möglichst genaue Bestimmung der einzelnen Einheiten bleibt eine aktuelle Aufgabe von Wissenschaft und Technik. In Deutschland ist für eine möglichst genaue Darstellung von Einheiten die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und Berlin verantwortlich.