융합시사상식

 

 
 

 

매월 연재되는 융합 시사 상식에서는 실생활과 연관된 시사 뉴스에서 숨겨진 수학과학
원리를 찾아내, 융합적 사고력 키우는 호기심 가득한 과학 이야기가 펼쳐집니다.

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융합과학상식

새롭게 정의된 4개의 단위는 무엇일까?
기간 : 2019-02-19 ~ 2019-03-18 당첨자발표 : 2019-03-18

‘SI’ 기본 단위 개정에 대하여,

Huge change, but no change

 

 

‘국제단위계(System of international units, SI)’란, 1960년 국제도량형총회(CGPM)에서 국제 표준으로 채택된 도량형 체계로 국제 미터법을 기준으로 확립한 체계이다. 초(s, 시간), 미터(m, 길이), 킬로그램(㎏, 질량), 암페어(A, 전류), 켈빈(K, 온도), 몰(㏖, 물질의 양), 칸델라(cd, 광도) 총 7개의 기본 단위와 여기에서 파생된 22개의 유도 단위로 구성되어 있다. 현재 미국, 미얀마, 라이베리아를 제외한 세계 대부분의 국가에서 SI를 법정 단위로 채택하여 국제 공동으로 사용하고 있다.

 

 

기준이 변했다?!

 

<국제단위계 SI, 국제도량형국(BIPM)제공>

 

2018년 11월 16일, 국제단위계(SI)의 7개 기본 단위 중 총 4개 물리량(질량, 전류, 온 도, 물질의 양) 에 대한 단위가 새롭게 정의 됐다. 이 4개의 단위는 실제로 존재하는 물 체나 각 단위에 부합하는 값을 정해 그것을 기준으로 정의되어 있었다. 그러나 시간의 흐름에 따라 실존하는 기준이 변화하며 발 생하는 오차로 인해 기존의 정의가 안정적 이지 못했고, 정의 자체로서도 모호함을 가 지고 있었다.

 

이에, 안정성, 명확성, 보편성을 가진 불변의 단위를 위해 물리 상수를 기반으로 한 새로운 단위의 기준이 정해졌다. 질량은 플랑크 상수(h), 전류는 기본 전하 (e), 온도는 볼츠만 상수(k), 물질의 양은 아보가드로 상수(NA)라는 고정된 값의 기본 상수를 기반으로 새롭게 정의 되었다.

 

과거에도 기본 단위인 초(s, 시간), 미터(m, 길이), 칸델라(cd, 광도)가 재정의된 사 례가 있다. 예를 들어, 길이의 단위 미터(m)는 지구의 자오선 4천만 분의 1을 기준 으로 만든 국제 미터 원기를 표준으로 삼았지만, 1983년 물리 상수 ‘빛의 속력’을 이용해 재정의됐다. 빛의 속력이 바뀌지 않는다는 사실이 증명되었으므로, 빛이 2 억 9,979만 2,458분의 1초 동안 가는 길이를 1m로 새롭게 정의된 것이다(‘초’는 세 슘 원자 시계를 이용해 정의 되었다). 단위가 재정의 되었어도 그 동안 쓰였던 1m 의 값에 최대한 맞추었기 때문에 일상생활에서의 혼란은 없었다.

 

 

 

새롭게 정의된 기본 단위

 

재정의된 4개의 기본 단위 중 질량은 1889년에 백금과 이리듐 합금으로 만들어진 국제킬로그램원기의 질량을 1㎏으로 규정했다. 원기는 유리관에 담아 땅 속 깊숙 이 지하 금고에서 보관해 왔지만, 100년 이상의 시간이 흐르는 동안 원기의 질량 이 최대 100마이크로그램(㎍) 변했다고 추정된다. ㎏에서 ㎍은 아주 작은 오차지 만 원자 단위에서는 매우 큰 차이이기 때문에 불변의 기준을 위해 재정의가 불가 피했다.

 

그래서 질량의 단위는 불변의 자연 상수 플랑크 상수(h)를 이용하여 새롭게 정의 하였다. 플랑크 상수(h)는 더 이상 쪼갤 수 없는 원자 단위 에너지의 크기를 나타 내는 양자역학의 상수로, ‘키블 저울’을 이용하여 측정할 수 있다.

 

전류의 단위 1 암페어(A)는 ‘무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적 을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1m 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 1m당 0.0000002 뉴튼(N)의 힘이 생기게 하는 일정한 전류’라고 정의되어 왔다. ‘무한히 길고’, ‘무시할 수 있을 만큼’ 등의 표현이 모호함을 갖고 있어 기 준이 불안정했기 때문에 재정의가 불가피했다.

 

<국제도량형국(BIPM)제공 국제킬로그램 원기(왼쪽)과 미국의 NIST-4 키블 저울(오른쪽)/ 출처: 위키미디어>

 

새로 정의된 전류는 물리 상수 값 기본 전하(전자 1개)가 가진 전하량(e)을 이용하 여 개정되었다. 그 동안은 전자의 전하량을 정확히 측정할 수 없었다. 하지만 기술 의 발달로 전하량을 정확하게 측정할 수 있게 되었고, 전류의 단위를 정의하는 기 준이 되었다.

 

온도는 ‘물의 열역학적 삼중점의 온도(섭씨 0.01도)’를 1/273.16 켈빈(K)이라고 정 의되어 있었다. 이 또한 여러 상황에 의해 변화될 수 있는 물이 아닌, 개별 입자가 갖는 에너지를 온도와 연관시켜주는 물리 상수 볼츠만 상수(k)를 이용해 재정의 했다.

 

물질의 양은 어떤 물질 1몰(㏖)에 해당하는 양에 담겨 있는 그 물질을 구성하는 입자의 개수를 나타내는 아보가드로 수(NA)로 정의되어 왔다. 하지만 아보가드로 수(NA)를 정확히 측정할 수 없었기 때문에 1967년 ‘탄소-12의 0.012㎏에 있는 원 자의 수와 같은 수의 구성 요소를 포함하는 어떤 계의 물질량’을 1몰(㏖)로 재정 의했다. 기술의 발달로 실리콘 결정을 이용해 아보가드로 수(NA)를 정확히 측정할 수 있게 되었고, 이를 이용하여 새롭게 정의된 것이다.

 

기본 단위 개정을 두고 표준 과학자들은 “Huge change, but no change.”라 고 말한다. 기존에 정의된 값에 최대한 맞추어 정의하여 일상생활에서 느끼게 될 변화는 거의 없기 때문이다. 하지만 불변의 단위를 통한 정확한 측정은 과학계와 산업계, 특히 미세한 오차도 용납될 수 없는 미세 연구 분야 발전에 크게 기여하 게 될 것으로 기대된다. 따라서 바꾸어 생각하면, 아무런 변화가 없지만 거대한 변화가 될 것이라는 말이다.~개정된 기본 단위의 정의는 오는 5월 20일(세계 측정의 날)부터 공식 사용된다

 

 

 

참여한 친구들

번호 제목 센터명 작성자 등록일
3SI단위74llhhss2019-03-17
2새롭게 정의된 4개의 단위는...shhong672019-03-09
1새롭게 정의된 4개의 단위 - ‘SI’ 기본 단위 개정에 대하여, Huge change, but no changewoanja992019-02-20