국제단위계(SI) 제9판 개정
국제단위계(SI) 제9판의 개정 및 결정 사항
Ⅰ. 국제단위계(SI) 제9판 개정 개요
SI 제9판 개정은 측정 역사상 가장 심대한 진전 중 하나로 평가됩니다. 이 개정은 2018년 국제도량형총회(CGPM)에서 결정되었으며, 2019년 5월 20일에 발효되었습니다. 이 날짜는 1875년 미터협약이 조인된 날을 기념하는 ‘세계 측정의 날’입니다.
개정의 핵심 동기 및 원칙
기존의 SI 정의는 인공물(킬로그램 원기)이나 특정 조건(물의 삼중점)에 의존하여 장기적인 안정성에 한계가 있었습니다.
새로운 SI는 다음을 목표로 합니다:
- 기본 상수 기반 정의: SI 단위를 자연의 불변량, 즉 기본 물리 상수 측면에서 정의하여 장기적으로 안정적이고 내적으로 자기모순이 없도록 발전시킵니다.
- 온전한 정의 세트 마련: 인공물 척도, 물질의 성질, 또는 측정에 관한 서술을 참조하지 않는 온전한 정의들의 세트를 마련했습니다.
- 정의와 구현의 분리: 단위의 정의와 구현이 개념적으로 분리되어, 정의를 바꾸지 않고도 과학 및 기술 발전에 따라 더 우수하고 정확한 구현 방법이 개발될 수 있습니다.
Ⅱ. SI의 새로운 정의 원칙: 7개의 정의 상수
SI 제9판은 7개의 ‘정의하는 (defining)’ 상수의 수치를 정확히 고정함으로써 7개 기본단위의 정의를 표현합니다. 이 상수들은 SI 전체 정의에서 가장 핵심적인 요소이며, 이들의 수치에는 불확도가 없습니다.
| 정의 상수 | 기호 | 고정된 수치 | 단위 | 정의되는 SI 단위 |
|---|---|---|---|---|
| 세슘 133 원자의 초미세 전이 주파수 | $\Delta\nu_{Cs}$ | 9,192,631,770 | Hz | 초 (s) |
| 진공에서 빛의 속력 | $c$ | 299,792,458 | m/s | 미터 (m) |
| 플랑크 상수 | $h$ | $6.626\,070\,15 \times 10^{-34}$ | J s | 킬로그램 (kg) |
| 기본전하 | $e$ | $1.602\,176\,634 \times 10^{-19}$ | C | 암페어 (A) |
| 볼츠만 상수 | $k$ | $1.380\,649 \times 10^{-23}$ | J/K | 켈빈 (K) |
| 아보가드로 상수 | $N_A$ | $6.022\,140\,76 \times 10^{23}$ | $\text{mol}^{-1}$ | 몰 (mol) |
| 시감효능 ($540 \times 10^{12}$ Hz) | $K_{cd}$ | 683 | $\text{lm}/\text{W}$ | 칸델라 (cd) |
Ⅲ. 7개 기본 단위의 개정 및 정의 (제26차 CGPM, 2018)
7개 기본단위의 정의는 위의 정의 상수를 고정하는 방식으로 새로 확립되었습니다.
1. 시간의 단위: 초 (s)
초(기호: s)는 시간의 SI 단위이다. 초는 세슘-133 원자의 섭동이 없는 바닥상태의 초미세 전이 주파수 $\Delta\nu_{Cs}$를 Hz 단위로 나타낼 때 그 수치를 $9\,192\,631\,770$으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 Hz는 $\text{s}^{-1}$과 같다.
2. 길이의 단위: 미터 (m)
미터(기호: m)는 길이의 SI 단위이다. 미터는 진공에서의 빛의 속력 $c$를 $\text{m s}^{-1}$단위로 나타낼 때 그 수치를 $299\,792\,458$로 고정함으로써 정의된다. 여기서 초(기호: s)는 세슘 전이 주파수 $\Delta\nu_{Cs}$를 통하여 정의된다.
3. 킬로그램 (Kilogram, kg)
이전 정의: 백금-이리듐으로 만들어진 국제킬로그램원기(IPK)의 질량.
새로운 정의: 킬로그램(기호: kg)은 질량의 SI 단위이다. 킬로그램은 플랑크 상수 $h$를 J s단위로 나타낼 때 그 수치를 $6.626\,070\,15 \times 10^{-34}$으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 J s는 $\text{kg m}^2 \text{ s}^{-1}$과 같고, 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 $c$와 $\Delta\nu_{Cs}$를 통하여 정의된다.
주요 변화: 킬로그램의 정의는 인공물에 의존하지 않으며, IPK의 질량은 이제 실험으로 결정되어야 합니다. 킬로그램은 $h$를 정의 상수에 연결하는 키블 저울(Kibble balance) 등의 물리학적 관계식을 통해 구현됩니다.
4. 암페어 (Ampere, A)
이전 정의: 무한히 긴 평행한 두 도체 사이에 특정 힘을 생기게 하는 일정한 전류.
새로운 정의: 암페어(기호: A)는 전류의 SI 단위이다. 암페어는 기본전하 $e$를 C 단위로 나타낼 때 그 수치를 $1.602\,176\,634 \times 10^{-19}$으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 C은 A s와 같고, 초(기호: s)는 $\Delta\nu_{Cs}$를 통하여 정의된다.
주요 변화: 1 암페어는 초당 $1/(1.602\,176\,634 \times 10^{-19})$개의 기본전하의 흐름에 해당하는 전류가 됩니다. 이전 정의에서 고정값이었던 진공투자율 ($\mu_0$) 값은 이제 실험적으로 결정되어야 합니다.
5. 켈빈 (Kelvin, K)
이전 정의: 물의 삼중점에 해당하는 열역학 온도의 $1/273.16$.
새로운 정의: 켈빈(기호: K)은 열역학 온도의 SI 단위이다. 켈빈은 볼츠만 상수 $k$를 $\text{J K}^{-1}$ 단위로 나타낼 때 그 수치를 $1.380\,649 \times 10^{-23}$으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 $\text{J K}^{-1}$은 $\text{kg m}^2 \text{ s}^{-2} \text{ K}^{-1}$과 같고, 킬로그램(기호: kg), 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 $h$, $c$와 $\Delta\nu_{Cs}$를 통하여 정의된다.
주요 변화: 켈빈의 정의는 물의 삼중점 대신 볼츠만 상수에 의존하게 되며, 새로운 정의는 $k$가 나타나는 모든 열역학적 관계식을 구현에 활용할 수 있다는 점에서 훨씬 더 일반적입니다.
6. 몰 (Mole, mol)
이전 정의: 탄소 12의 $0.012$ 킬로그램에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성 요소를 포함한 계의 물질량.
새로운 정의: 몰(기호: mol)은 물질량의 SI 단위이다. 1 몰은 정확히 $6.022\,140\,76 \times 10^{23}$개의 구성요소를 포함한다. 이 숫자는 $\text{mol}^{-1}$ 단위로 표현된 아보가드로 상수 $N_A$의 고정된 수치로서 아보가드로 수라고 부른다. 어떤 계의 물질량(기호: $n$)은 명시된 구성요소의 수를 나타내는 척도이다. 구성요소란 원자, 분자, 이온, 전자, 그 외의 입자 또는 명시된 입자들의 집합체가 될 수 있다.
주요 변화: 몰의 정의가 킬로그램의 정의에 의존하지 않게 되었습니다. 이로써 물질량(amount of substance)과 질량 사이의 구분이 명확해졌습니다.
7. 광도의 단위: 칸델라 (cd)
칸델라(기호: cd)는 어떤 주어진 방향에서 광도의 SI 단위이다. 칸델라는 주파수가 $540 \times 10^{12} \text{ Hz}$인 단색광의 시감효능 $K_{cd}$를 $\text{lm W}^{-1}$ 단위로 나타낼 때 그 수치를 $683$으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 $\text{lm W}^{-1}$은 $\text{cd sr W}^{-1}$ 또는 $\text{cd sr kg}^{-1} \text{ m}^{-2} \text{ s}^3$과 같고, 킬로그램(기호: kg), 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 $h$, $c$와 $\Delta\nu_{Cs}$를 통하여 정의된다.
Ⅳ. 폐지된 주요 이전 결정 및 정의
새로운 SI 정의가 채택됨에 따라, 7개 기본단위의 이전 정의뿐만 아니라 전기 표준과 관련된 이전의 협정값도 폐지되었습니다.
- 기본단위 이전 정의 폐지: 킬로그램(국제킬로그램원기 기반), 암페어(두 도체 사이의 힘 기반), 켈빈(물의 삼중점 기반), 몰(탄소 12 기반)의 이전 정의가 폐지되었습니다.
- 전기 표준 협정값 폐지: 볼트와 옴의 표현을 구축하기 위해 채택되었던 조셉슨 상수 $K_{J\text{-}90}$ 및 폰 클리칭 상수 $R_{K\text{-}90}$의 협정값 채택 결정이 폐지되었습니다.