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Medindo Tempo – o segundo

9 de setembro de 2019

Já escrevemos muito sobre o tempo, essa grandeza fugidia, aqui no Almanaque. Este post, entretanto, procura explicar como os cientistas obtiveram a definição da unidade SI de medir o tempo, o segundo.

O segundo é definido como sendo a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. (Unidade de Base ratificada pela 13ª CGPM – 1967.)

Definição aparentemente espinhosa, essa! Mas veja:

O átomo de Césio 133 (símbolo Cs) foi escolhido por ter radiação de alta frequência e por ser estável. A transição entre os níveis hiperfinos, ou seja, a diferença de energia entre os níveis é o Δν. Frequência é dada em hertz. Assim, a definição implica a relação exata ΔνCs = 9 192 631 770 Hz (que é uma constante da física).

No modelo atômico atualmente aceito, as órbitas dos elétrons correspondem a níveis de energia. Para mover-se entre os níveis os elétrons precisam absorver ou liberar uma certa quantidade de energia na forma de radiação eletromagnética, cuja frequência depende da diferença de energia entre os dois níveis (Δν). A essa transição dá-se o nome de “salto quântico”.

No caso do átomo de césio (símbolo Cs), conforme mostra a ilustração, a frequência ( ΔνCs) é da ordem de 9 192 631 770 períodos, ou seja, hertz. Pois bem, o que a definição diz é que o segundo é o tempo equivalente à duração desses períodos de radiação! Com isso, tanto o segundo (unidade de tempo)  quanto o hertz (unidade de frequência) foram definidos numa única tacada.

As 7 unidades de base do SI (atualizadas conforme a 26ª CGPM)

2 de fevereiro de 2010

Sistema Internacional de Unidades – SI dá conta de uma grande variedade grandezas físicas, que são as propriedades mensuráveis dos corpos. Apresentamos aqui as 7 (sete) unidades de base do SI, usadas para definir as outras unidades. Para ver o sistema completo com todas as unidades, múltiplos e submúltiplos, e as regras para grafia dos símbolos, clique aqui.

Algumas das definições a seguir não são muito fáceis de compreender, sobretudo para quem não é do ramo das ciências exatas. Por isso, cada uma delas tem um link para uma explicação mais detalhada e em linguagem mais acessível (pelo menos assim esperamos…).

O metro, unidade de medir comprimento.  O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo. (Unidade de Base ratificada pela 17ª CGPM – 1983) A partir dele são definidos os conceitos para área, volume, velocidade etc. Símbolo: m

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O quilograma ou kilograma (*), unidade de medir massa, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Plank h como sendo 6,626 070 15 x 10-34 quando expresso na unidade J s (joule segundo), a qual é igual a kg m2 s-1 quando o metro e o segundo são definidos em termos de c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: kg

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 O segundo, unidade de medir tempo, é a duração de  9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. (Unidade de Base ratificada pela 13ª CGPM – 1967.). A partir dessa definição foram obtidas outras unidades, como a velocidade, a aceleração e, mesmo, o próprio metro. Símbolo: s

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O kelvin (*), unidade de medir temperatura termodinâmica, é definido tomando-se o valor numérico fixo da constante de Bolstzmann k como sendo 1,380 649 x 10-23 quando expresso na unidade J K-1, a qual é igual a kg m2 s-2 K-1 onde o kilograma, o metro e o segundo são definidos em termos de h (constante de Plank), c (constante da velocidade da luz) e ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: K

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A candela é a unidade para medir intensidade luminosa. É a Intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de freqüência 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esterradiano. (Unidade de Base ratificada pela 16ª CGPM – 1979). Símbolo: cd

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O mol (*) é a unidade de medir quantidade de matéria. Um mol contém exatamente 6,022 140 76 x 1023 entidades elementares. Este número é o valor numérico fixo da constante de Avogadro, NA, quando expresso na unidade mol-1, chamada de número de Avogadro. (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: mol

A grandeza “quantidade de matéria” de um sistema é a medida de um número especificado de entidades elementares, que pode ser um átomo, uma molécula, um íon, um elétron ou qualquer outra partícula ou grupo especificado de partículas.

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O ampere (*) é a unidade de medir corrente elétrica. É definido tomando-se o valor numérico fixo da carga elementar e como sendo 1,602 176 634 x 10-19 quando expressa unidade C (coulomb, unidade de carga elétrica), a qual é igual  a A s, onde o segundo é definido em termos de ∆νCs (valor da frequência do césio). (Unidade de Base ratificada pela 26ª CGPM – 2018). Símbolo: A

Para uma explicação mais detalhada, clique aqui.

*Importante: No dia 20 de maio de 2019 entraram em vigor as novas definições do  quilograma, do ampere, do kelvin e do mol. A decisão foi tomada na 26ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) em 16 de novembro de 2018.