国际单位制
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第12页（10310字）
单位制的形成和发展，与科技的进步、经济和社会的发展密切相关。国际单位制是1960年第十一届国际计量大会通过，并在以后的实践中逐步发展和日趋完善的，是目前世界上最先进、科学和实用的单位制。国际单位制的符号SI是取自法文Le Système International d’Unités中的前两字(即国际制)的字头。由于国际单位制是在米制的基础上发展起来的，其中许多单位的名称和符号又都沿用了米制的，故又有“现代米制”之称。
1．米制的起源与发展
米制是国际上最早公认的单位制。早在18世纪，人们就越来越感到计量单位及计量制度的混乱，影响了科技与经济的发展，特别是在国际贸易和科技交流上的反映更加明显。于是，科学家们便开始探求一种不分国际的，即各国都适用的国际通用计量单位及计量制度。1791年，经法国科学院的推荐，法国国民代表大会采纳了以长度单位“米”为基本单位的计量制度。当时，“米”被定义为地球子午线的1／4长度的1／10000000。面积和体积的单位分别是平方米和立方米，以及它们的十进倍数与分数单位。质量单位是1立方分米的水在其密度最大的温度(4℃)下的质量。由于这种制度是以“米”为基础的，故而称为“米制”。
根据上述决定，德拉布里(Delambre)和麦卡恩(Mechain)测量了法国敦克尔克(Dunkerque)与西班牙巴塞罗那(Barcelona)之间的子午线弧长；拉瓦锡尔(Lavoisier)等人则测量了给定体积的水的质量。然后，依照所得的测量结果，用铂制成了一支米端度基准尺和一个千克基准器，并将它们保存于巴黎法国档案局，故又有“档案局米”和“档案局千克”之称。这两个基准器就是米制乃至现代国际单位制的实际起点。后来发现，“档案局米”比地球子午线1／4的1／10000000短约0．2mm，而“档案局千克”则等于1．000028立方分米的水在其密度最大的温度下的质量。
米制形成以后，很快便向世界各国普及。1820年荷兰、比利时和卢森堡等国首先采用。紧接着西班牙、哥伦比亚、墨西哥、葡萄牙、意大利等许多国家亦都相继采用。1858年(清咸丰八年)，米制传入我国，当时叫“米突制”、“公制”等，主要用于海关。1864年，英国允许米制与英制并用。不久，德国亦采用了米制。
为了进一步统一世界的计量制度，法国政府于1869年向许多国家发出了关于派代表到巴黎召开“国际米制委员会”的邀请。结果，有24个国家派了代表，会议于1872年8月召开，并作出了以巴黎档案局所保存的米和千克原器为基准，复制一些新原器发给与会各国的决议。后来，这些新原器都是用一种含10%铱和90%铂的熔融铂铱合金制造的。新的米原器是横截面为X形的线纹基准米尺。
1875年3月1日法国政府召集了有20个国家的政府代表与科学家参加的“米制外交会议”，并于1875年5月20日由17个国家的代表正式签署了“米制公约”，为米制的传播和发展奠定了国际基础。由各签字国的代表组成的国际计量大会(CGPM)是“米制公约”的最高组织形式，下设国际计量委员会(CIPM)，其常设机构为国际计量局(BIPM)。
1889年召开了第一届国际计量大会，会上将复制的30支新的米原器中最接近“档案局米”的一支(No．6)，定为国际米原器，称为“国际米”，并保存于国际计量局。
随着科技的发展，为适应工业和商业的需要，一些新的计量单位不断出现。于是也就逐渐形成了适于各种科技领域的单位制。例如，厘米、克、秒制，米、千克、秒制，米、千克力、秒制，绝对静电单位制，绝对电磁单位制，国际实用单位制，等等。这些单位制都是在米和千克两个单位的基础上形成的；可以说，皆属于米制，但制式繁多，且往往相互交叉使用，以致出现了一个量有多个单位同时应用的混乱局面。比如，压力就有千克力每平方米、达因每平方米、标准大气压、毫米汞柱、巴等许多单位。另外，由于历史的原因，有的国家除米制外，还存在着其他各种单位制，如英制、俄制等，结果使局面更加混乱。
第二次世界大战以后，出现了一种发展科技、繁荣经济、加强国际合作的新趋向。国际理论与应用物理协会和法国政府，明确提出了在国际交往中应采用一种“国际实用单位制”的要求，并建议以米、千克、秒和绝对单位制中的一个电学单位为基础构成。根据这个要求和建议，1948年第九届国际计量大会便责成国际计量委员会以法国的文件为基础，征询各国科学技术与教育界的意见，以便提出一种为米制公约成员国都能接受的国际实用单位制。
根据国际征询的意见，1954年第十届国际计量大会决定：以米、千克、秒、安培、开尔文(1)和坎德拉为基本单位，建立一种适用于国际关系的国际实用计量单位制。
1956年，国际计量委员会建议把第十届国际计量大会决定的以米和千克等基本单位为基础的单位制称为“国际单位制”。
1958年，国际计量委员会又通过了关于单位名称的符号和构成倍数单位与分数单位的词头的建议。
1960年，第十一届国际计量大会根据上述建议，正式决定将该实用计量单位制命名为“国际单位制”，其国际符号为“SI”。
30多年来，随着科学技术的进步和计量水平的提高，为满足实际需要，国际单位制亦在不断地充实和完善。例如，为适应化学的需要，1971年第十四届国际计量大会决定增加一个叫“物质的量”的基本单位——摩尔。因为，原有六个基本量中的“质量”，对物理学是合适的，而对化学则不尽然。在化学中，分子的结构，特别是一个系统中分子的数目，往往比其总质量更加实用。又如，为将国际单位制推广到放射学的研究与应用，使非专业人员使用单位尽可能简单，同时考虑到在医疗中发生错误可能造成危险的严重性，1975年第十五届国际计量大会通过了关于放射性计量的两个具有专门名称的导出单位，即放射性活度单位“贝克勒尔”和吸收剂量单位“戈瑞”。再如，1979年第十六届、1983年第十七届和1991年第十九届国际计量大会，分别对发光强度单位坎德拉、长度单位米采取了新的定义和增加了四个词头，等等。毫无疑问，国际单位制今后将会进一步充实和完善。
2．国际单位制的构成
国际单位制的构成体系如下：
(1) SI单位
这里，SI单位并不是国际单位制单位的简写，而只是SI中构成一贯性的单位。作为国际单位制单位来说，除SI单位外，还包括它们的倍数与分数单位。
所谓一贯性单位，是指一贯性导出单位。凡是按科学定义方程所得到的导出量，当构成其单位的基本单位的系数是1时，则该导出单位对基本单位来说，便称为一贯性单位。例如，速度=距离／时间；距离的基本单位为米，时间的基本单位为秒，于是速度的一贯性单位即为米／秒(或写成国际符号m／s或m·s－1)。
① SI基本单位
SI基本单位共有7个，是构成SI的基础。它们的名称和符号见表1．2－1。
表1．2－1 SI基本单位
注：①圆括号( )中的名称，是其前的名称的同义词；
②方括号〔 〕内的字，在不致混淆的情况下，可以省略。
这7个SI基本单位是彼此独立并严格定义的。
1)米(m)
长度单位米是光在真空中于(1／299792458)s时间间隔内所经路径的长度。
前已提及，最初米是以地球子午线的1／4的1／107来定义的，其原器保存于法国档案局(即“档案局米”)。后来根据档案局米用铂铱合金制成了“国际米”原器。尽管铂铱合金米原器具有高硬度和高抗氧化性能，但其长度随时间的推移仍不可能保持不变。因为任何金属经加工后都难免产生一定的内应力，必然要引起微晶结构的缓慢变化。
为了摆脱实物基准器所固有的弊端，经科学家们的积极努力，终于在1960年召开的第十一届国际计量大会上通过了以氪－86原子辐射的波长来高精度复现米的新定义。这是第一个量子计量基准(亦称自然基准)，从而使米的复现精度由±1×10－7提高到±4×10－9。后来，由于激光稳频技术的发展，激光在计量中的复现性和易于应用等方面已大大优于氪－86原子辐射，以致由计量激光频率和光速给定值所确定的激光波长来复现米成为可能。于是在1983年召开的第十七届国际计量大会上正式通过了现行的米的新定义，从而使米的复现精度得以进一步提高，可达10－10～10－11甚至10－12量级。
2)千克(kg)
质量单位千克，等于国际千克原器的质量。
国际千克原器是用铂铱合金制造的。为减小由于磨损或其它物质的吸附而引起的变化，原器的表面积应尽可能小。因而最好的形状是球形。但考虑到加工和调准的困难，结果选取了最小面积的圆柱体，即高等于直径的原柱体。该国际千克原器是1878年提出订制，1880年与“档案局千克”进行比对，1883年被国际计量局选定，1889年被第一届国际计量大会承认，并于1901年第三届国际计量大会上被正式定义。该原器一直被保存在国际计量局的地下室里，被精心地安置于有三层真空钟罩保护的托盘上(图1．2－1)。
图1．2－1 国际千克原器
在我国，质量在生活、贸易中一般称为重量，或者说重量是质量的别名。过去，特别是在物理学中，往往把重量作为重力的别名，以致在许多情况下产生混淆。今后，凡在指“力”的场合，重量应改用“重力”。
3)秒(s)
时间单位秒是与铯－133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。
秒最初是根据地球自转一周，即太阳日的1／86400来定义的。由于在一年的持续时间里太阳日是变化的，又确定了平均太阳日，并取平均太阳日的1／86400作为时间单位秒。后来又发现地球的自转并非等速，于是又以地球绕太阳的公转周期，即回归年来作为确定时间单位秒的基础。然而，回归年仍有变化。为了提高秒的复现精度，1967年第十三届国际计量大会决定采用现行的秒定义，称为原子时。这就使得秒的复现精度由10－9提高到10－13～10－14甚至10－15量级，是目前所有的计量单位中复现精度最高的。
4)安培(A)
电流单位安培：在真空中，横截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10－7牛顿，则每根导线中的电流为1安培。
原来电流单位安培曾用能在硝酸银水溶液中以一定速率析出银的电流来定义，称为国际安培，但复现的精度差，无法满足实际要求。1946年，国际计量委员会才决定从1948年1月1日起使用现行的安培定义，当时称为绝对安培，属绝对电学单位制。该定义得到了1948年召开的第九届国际计量大会的批准，一直沿用至今。
5)开尔文(K)
热力学温度单位开尔文，等于水的三相点热力学温度的1／273．16。
热力学温度单位开尔文在1948年第九届国际计量大会上即已原则决议，并在1954年第十届国际计量大会上正式定义。当时叫“开氏度”，后来在1967年第十三届国际计量大会上才决定改称“开尔文”。
除以开尔文(K)表示热力学温度(T)外，也使用摄氏度(℃)来表示摄氏温度(t)。摄氏度常用于日常生活，作为计量单位，它与开尔文相等，即1℃=1K。但由于摄氏度是以水的冰点的热力学温度(T0=273．15K)为零度的，故摄氏温度与热力学温度的数值关系为t=TT0
6)摩尔(mol)
物质的量单位摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0．012千克碳－12的原子数目相等。
在使用摩尔时应指明基本单元，可以是原子、分子、离子、电子或其它粒子，也可以是这些粒子的特定组合。
过去，在确定摩尔之前，一直用“克原子”、“克分子”等单位来表示化学元素或化合物的量。这些单位与“原子量”、“分子量”有着直接联系。所谓“原子量”，最初是以氧的原子量为标准(定为16)。后来，分离出了各种同位素。物理学只将其中之一定为16；而化学则将三种同位素(16、17、18)的混合物，即天然氧元素定为16。于是便出现了两种不同的原子量标准，也就形成了两套不同的原子量，即物理原子量与化学原子量。为结束这种不一致的局面，国际理论与应用物理协会和国际理论与应用化学协会于1960年取得协议，一致同意将碳同位素12的值定为12，以其为标度去定出相对原子质量的数值，并提议定义一个物质的量的单位——摩尔。1971年第十四届国际计量大会考虑了这一提议，并决定了现行的物质的量的单位摩尔的定义。1980年国际计量委员会批准了单位咨询委员会第7次会议提出的“在这个定义中还应指明，碳－12是非结合的、静止的且处于其基态原子”的报告。
确定了摩尔，过去所用的“克原子”、“克分子”、“克离子”、“克当量”等单位便皆被废除。从定义可见，只要一个系统的基本单元数目与0．012千克碳－12的原子数目相等(即过去所谓的1克原子碳所含的原子数是一常数：6．022×1023)，该系统的物质的量即为1摩尔。摩尔不是质量单位，而是以0．012千克碳－12所具有的原子数来衡量的“批量”数。
7)坎德拉(cd)
发光强度单位坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为540×1012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1／683瓦特每球面度。
发光强度单位，最初是用蜡烛(或其它火焰)来定义的，故有“烛光”之称。后来逐渐采用黑体辐射原理对发光强度单位进行研究，并在1948年第九届国际计量大会上决定采用处于铂凝固点温度的黑体作为发光强度的基准，同时定名为“坎德拉”，亦曾一度称为“新烛光”。1967年第十三届国际计量大会又对坎德拉作了措辞更加严密的定义。但由于用该定义复现坎德拉的误差较大，满足不了需要，加之光辐射功率的计量已取得了显着进展，1979年第十六届国际计量大会便决定采用现行的新定义。
② SI辅助单位
SI辅助单位的名称和符号列于表1．2－2。
表1．2－2 SI辅助单位
平面角单位弧度的定义是：弧度是圆内两条半径之间的平面角，这两条半径在圆周上所截取的弧长与半径相等。
立体角单位球面度的定义是：球面度是一立体角，其顶点位于球心，而它在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形面积。
这两个单位，过去国际计量大会没有明确规定它们是属于基本单位还是属于导出单位，而称为辅助单位。在使用中，既可把它们作为基本单位，也可作为导出单位。它们在某些情况下有基本单位的性质，而在另一些情况下则有导出单位的性质。例如，在角速度单位(弧度／秒)中，弧度有基本单位的性质；而在用弧长和半径求圆心角(弧度=弧长／半径)的关系中，则为导出单位。
1994年国际计量委员会建议把SI辅助单位弧度和球面度解释为无量纲导出单位，将提请国际计量大会予以审批。
③ SI导出单位
SI导出单位是按照一贯性原则，由SI基本单位与辅助单位通过选定的公式而导出的单位。有些导出单位的应用相当普遍，如果用基本单位来表达，则比较麻烦。例如，力的单位是从F=ma导出的，而a=v／t、v=s／t。若用基本单位表达，力则为m·kg·s－2，很不方便。于是，对于这类经常而又普遍使用的导出单位，都规定了专门的名称和符号(表1·2－3)。
表1．2－3 SI中具有专门名称的导出单位
总地来讲，导出单位大体上可分为四种。一种就是表1·2－3中所列的有专门名称和符号；另一种是只用基本单位表示，如面积单位平方米(m2)、加速度单位米每二次方秒(m／s2)；还有一种是由有专门名称的导出单位和基本单位组合而成，如力矩单位牛米(N·m)、表面张力单位牛每米(N／m)；再一种就是由辅助单位和基本单位或有专门名称的导出单位所组成，如角速度单位弧度每秒(rad／s)、辐射强度单位瓦每球面度(W／sr)等。
(2) SI词头
上述的SI单位，在实际应用中往往会感到许多不便。比如，用千克来表示原子的SI质量则太大，而用千克来表示地球的质量则又太小。于是便确定了一系列十进制的词头，以便构成十进倍数与分数单位，从而使单位相应地变大或变小，以满足不同的具体需要。目前已采用的SI词头共有20个，从1024～10－24(表1·2－4)。
表1．2－4 SI词头
注意：词头符号一律用正体；106及其以上的词头符号用大写体，其余皆用小写体；词头不能单独(无单位)使用，即必须与单位合用。
(3) SI单位的十进倍数和分数单位
由SI词头加在SI单位之前构成的单位，称为SI单位的十进倍数或分数单位。唯一的例外就是千克(kg)，它是SI质量单位，而不是十进倍数单位。这是历史原因造成的。SI质量单位的十进倍数和分数单位，是由“克”(g)前加k以外的词头构成。
3．国际单位制的优越性
国际单位制的优越性可概括如下：
(1) 严格性
国际单位制对各种量及其单位的名称、符号和使用规则等，都有严格的规定，不致混淆，同时也澄清了某些量与单位的概念。比如，质量与物质的量，过去由于量与单位的概念不明确，曾长期模糊不清，往往造成混淆；而在国际单位制中，则明确地给出了严格的定义，得到了澄清。
(2) 简明性
国际单位制力求简明，取消了相当数量的各种单位，从而免去了许多不同单位之间的换算系数，节约了人力、物力和时间，而且避免了换算误差与可能出现的换算错误。例如，压力、压强、应力的单位皆用帕(Pa)，而取消了巴(bar)、毫米水柱(mmH2O)、毫米汞柱(mmHg)、托(Torr)以及标准大气压(atm)、工程大气压(at)等。
(3) 实用性
国际单位制有基本单位、辅助单位、导出单位(其中较为常见的19个还规定了专门的名称和符号)，还有20个词头来构成十进倍数单位和分数单位，可大可小，能实用于各种需要。
(4) 通用性
国际单位制包括了所有理论与应用科学技术的计量单位，能使科研、生产、文教、贸易及人民生活等各方面所应用的计量单位统一于一个单位制中，具有其它已有各种单位制所不能比拟的通用性。另外，国际单位制的每个单位都有明确规定的专用符号，不受国度、种族、语言和文字的限制，便于国内和国际通用。不仅有利于本国的科技、经济和社会的发展，而且也有利于世界各国的科学技术、文化教育与经济交流。国际单位制的通用性，不仅表现在各行各业之间，而且也体现在世界各国之间。
由于国际单位制与其它单位制相比，具有明显的优越性，世界各国都相继向国际单位制过渡。
在我国，对于国际单位制的推行，一直是比较重视的。早在60年代初，就已开始了该项工作，但由于十年动乱而被拖延。1978年，国家计量总局编译了《国际单位制及其使用方法》，供有关部门参照使用。同年，教育部发出通知，规定大中学的教材中，一律采用国际单位制。当年11月国务院成立了“中国国际单位制推行委员会”，全面负责国际单位制的推行工作。1981年，经国务院批准，颁布了《中华人民共和国计量单位名称与符号方案(试行)》。1984年，国务院发布了《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》，颁布了《中华人民共和国法定计量单位》。该法定计量单位，就是以国际单位制的单位为基础，并根据我国的实际情况，适当地增加了一些选定的其它单位而构成的。
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