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국제단위계(SI)는 전 세계에서 통용되는 측정 단위 체계로, 7가지 기본 단위(킬로그램, 미터, 초, 암페어, 켈빈, 몰, 칸델라)를 바탕으로 정밀한 과학과 산업 발전을 지원합니다. 특히, 킬로그램은 플랑크 상수를 기반으로 재정의되어 더욱 정확한 질량 측정이 가능해졌습니다.
SI 기본 단위 및 관련 자료
| 미터 (m) | 칸델라 (cd) | 캘빈 (K) |
| 암페어 (A) | 킬로그램 (kg) | 암페어 (A) |
| 킬로그램 (kg) |
1. 국제단위계 SI 기본 단위 역사
아래는 7개의 SI 기본 단위가 확립되기까지의 주요 역사를 연도별로 정리한 내용입니다.
1) 킬로그램 (kilogram, kg)
- 1795년: 1리터의 물의 질량으로 킬로그램이 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금으로 만든 국제 킬로그램 원기를 기준으로 킬로그램이 재정의되었습니다.
- 2019년: 플랑크 상수의 고정된 값을 사용하여 킬로그램을 재정의하였습니다. 이를 통해 원기의 물리적 의존에서 벗어난 정의가 확립되었습니다.
2) 초 (second, s)
- 17세기: 1초는 처음으로 태양이 자오선을 통과하는 두 순간 사이의 시간(평균 태양일)을 86,400분의 1로 정의되었습니다.
- 1960년: 세슘 원자의 진동수를 기준으로 하는 정의가 논의되기 시작했습니다.
- 1967년: 현재의 정의인 "세슘-133 원자의 9,192,631,770회의 진동을 기준으로 1초를 정의"하는 방식이 국제적으로 채택되었습니다.
3) 미터 (meter, m)
- 1793년: 프랑스에서 지구 적도에서 극까지 거리의 1/10,000,000에 해당하는 길이로 미터가 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금 막대의 길이를 미터로 정의한 국제 미터원기가 도입되었습니다.
- 1960년: 크립톤-86 원자가 방출하는 특정 빛의 파장을 기준으로 미터가 다시 정의되었습니다.
- 1983년: 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 이동하는 거리를 기준으로 미터가 정의되었습니다.
4) 암페어 (ampere, A)
- 1820년: 안드레 마리 암페르가 전류에 대한 법칙을 처음으로 제안하였습니다.
- 1948년: 국제단위계(SI)에 따라 1암페어는 "진공 상태에서 1m 간격으로 놓인 두 평행 도체에 2 × 10⁻⁷ N의 힘을 발생시키는 전류"로 정의되었습니다.
- 2019년: 기본 전하(전자 1개당 전하)의 고정된 수치를 기준으로 암페어가 재정의되었습니다.
5) 켈빈 (kelvin, K)
- 1848년: 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 절대 온도 개념을 제시하며 켈빈 온도 단위의 기초를 마련하였습니다.
- 1954년: 삼중점에서 물의 온도를 273.16K로 정의하면서 켈빈이 공식 단위로 채택되었습니다.
- 2019년: 볼츠만 상수의 고정된 값을 사용하여 켈빈이 재정의되었습니다.
6) 몰 (mole, mol)
- 1865년: 독일의 화학자 아우구스트 카쿨레가 몰 개념을 처음으로 제안하였습니다.
- 1971년: 몰이 국제단위계에 공식적으로 포함되었으며, 1몰은 아보가드로 수(6.02214076 × 10²³)의 입자로 정의되었습니다.
- 2019년: 아보가드로 상수의 고정된 값을 사용하여 몰이 재정의되었습니다.
7) 칸델라 (candela, cd)
- 1909년: 국제 협약에 따라 촛불의 광도를 기준으로 한 단위로 칸델라가 도입되었습니다.
- 1948년: 칸델라는 "백금에서 방출되는 특정한 주파수의 빛"을 기준으로 정의되었습니다.
- 1979년: 현재의 정의인 "주파수 540 × 10¹² Hz에서 방출되는 빛의 광속 효율을 기준으로 1칸델라"로 재정의되었습니다.
2. 킬로그램 (kg) 개요
킬로그램은 플랑크 상수(h)의 고정된 수치 값을 J·s 단위로 6.626 070 15 × 1034로 정의하며, 이는 kg·m²·s-1 단위입니다. 미터와 초는 각각 c(진공 중 빛의 속도)와 ΔνCs(세슘 주파수)로 정의됩니다. 킬로그램은 대부분 무게로 이해되지만, 실제로는 물체의 질량을 의미합니다. 초기 정의는 1리터의 물의 질량과 동일하게 설정된 1000그램이었으며, 이는 1세제곱센티미터의 물의 질량이 1그램이라는 개념에서 출발했습니다.
3. 킬로그램 원기 (Le Grand K)
킬로그램원기는 1889년부터 2019년까지 질량의 기준으로 사용된 국제 킬로그램원기(International Prototype of the Kilogram, IPK)입니다. 백금 90%와 이리듐 10%로 만든 원통형 물체로, 프랑스 파리의 국제도량형국(BIPM)에 보관되어 있었습니다. 그러나 시간이 지나면서 원기의 질량이 미세하게 변할 수 있다는 문제점이 발견되어 2019년 5월 20일, SI 단위계의 재정비에 따라 킬로그램 정의가 바뀌었습니다.
킬로그램 원기(이전 기준): 기존에는 국제 킬로그램원기와 비교하여 질량을 측정하는 방식이었습니다. 국가별로 복사본 원기를 보유하여 자체적인 측정을 진행했습니다.
4. 플랑크 상수 기반 킬로그램
현재 킬로그램은 물리 상수인 플랑크 상수(Planck constant, h)에 기반하여 정의됩니다. 이를 통해 질량의 정의는 시간의 흐름에 따른 변화 없이 일정하게 유지됩니다. 플랑크 상수는 초당 에너지와 주파수의 비례 상수이며, 킬로그램은 이 상수를 기준으로 정의됩니다.
https://www.bipm.org/en/si-base-units/kilogram 이 정의는 정확한 관계 h = 6.626 070 15 x 10 ^(–34) kg m ^2 s^(–1)을 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 세 가지 정의 상수 h , Δν Cs 및 c 에 대한 킬로그램에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.   7개의 기본 단위를 정의하는데 필요한 상수는 다음과 같습니다.
숫자 값과 정의하는 단위는 다음과 같습니다.  7개의 정의 상수의 숫자 값에는 불확실성이 없습니다. 기본 단위의 정의는 각 상수의 값이 해당 SI 단위로 표현될 때의 정확한 수치 값을 지정합니다. 모든 SI 단위는 정의 상수 자체를 통해 표현할 수도 있고, 정의 상수의 곱이나 몫을 통해 표현할 수도 있습니다. |
- 키블 저울(Kibble Balance): 플랑크 상수를 이용한 질량 측정 장비로, 전자기력을 이용하여 정확한 질량을 측정합니다. 저울에 물체를 올리면 전류를 통해 전자기력을 생성하여 중력을 상쇄시키고, 이를 통해 질량을 계산합니다. 키블 저울은 전기 측정과 중력 상수를 결합하여 질량을 정확하게 측정하는 핵심 장비입니다(아래 그림 중앙).
- 실리콘 구(Silicon Sphere): 실리콘-28 동위원소로 만든 완벽한 구 형태의 물체로, 아보가드로 상수를 통해 질량을 정의할 수 있습니다. 실리콘 구는 원자의 개수를 정확하게 계산하여 질량을 측정하는 방식으로, SI 단위 재정의에 기여했습니다(아래 그림 우측, 출처: NIST).
※ 표준 장비: Kibble Balance(좌), 실리콘 구(우)
- 사이트: https://www.bipm.org/en/mass-metrology/kibble-balance
- NPL은 킬로그램의 측정을 위한 Kibble Balance 장비와 그 원리를 소개합니다.
5. 마무리 글
킬로그램을 포함한 7가지 SI 기본 단위는 과학과 기술 발전의 근간을 이루며, 지속적인 연구와 개정으로 더욱 정밀한 측정이 가능해지고 있습니다. 특히, 플랑크 상수를 기반으로 한 킬로그램 정의는 시대적 요구를 반영한 중요한 변화이며, 이를 통해 다양한 산업과 연구에서 신뢰할 수 있는 질량 측정이 가능해졌습니다.