국제 단위계의 정의

SI 단위 정의 (반응형)

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 상수기호고정된 수치단위정의되는 SI 단위
세슘 133 원자의 초미세 전이 주파수ΔνCs9,192,631,770Hz초 (s)
진공에서 빛의 속력c299,792,458m/s미터 (m)
플랑크 상수h6.626 070 15 × 10−34J s킬로그램 (kg)
기본전하e1.602 176 634 × 10−19C암페어 (A)
볼츠만 상수k1.380 649 × 10−23J/K켈빈 (K)
아보가드로 상수NA6.022 140 76 × 1023mol−1몰 (mol)
시감효능 (540 × 1012 Hz)Kcd683lm/W칸델라 (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 ΔνCs를 Hz 단위로 나타낼 때 그 수치를 9,192,631,770으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 Hz는 s−1과 같다.

2. 길이의 단위: 미터 (m)

미터(기호: m)는 길이의 SI 단위이다. 미터는 진공에서의 빛의 속력 c를 m s−1단위로 나타낼 때 그 수치를 299,792,458로 고정함으로써 정의된다. 여기서 초(기호: s)는 세슘 전이 주파수 ΔνCs를 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 h를 J s단위로 나타낼 때 그 수치를 6.626 070 15 × 10−34으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 J s는 kg m2 s−1과 같고, 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 c와 ΔνCs를 통하여 정의된다.

주요 변화: 킬로그램의 정의는 인공물에 의존하지 않으며, IPK의 질량은 이제 실험으로 결정되어야 합니다. 킬로그램은 h를 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 e를 C 단위로 나타낼 때 그 수치를 1.602 176 634 × 10−19으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 C은 A s와 같고, 초(기호: s)는 ΔνCs를 통하여 정의된다.

주요 변화: 1 암페어는 초당 1/(1.602 176 634 × 10−19)개의 기본전하의 흐름에 해당하는 전류가 됩니다. 이전 정의에서 고정값이었던 진공투자율 (μ0) 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 k를 J K−1 단위로 나타낼 때 그 수치를 1.380 649 × 10−23으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 J K−1은 kg m2 s−2 K−1과 같고, 킬로그램(기호: kg), 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 h, c와 ΔνCs를 통하여 정의된다.

주요 변화: 켈빈의 정의는 물의 삼중점 대신 볼츠만 상수에 의존하게 되며, 새로운 정의는 k가 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 × 1023개의 구성요소를 포함한다. 이 숫자는 mol−1 단위로 표현된 아보가드로 상수 NA의 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 × 1012 Hz인 단색광의 시감효능 Kcd를 lm W−1 단위로 나타낼 때 그 수치를 683으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 lm W−1은 cd sr W−1 또는 cd sr kg−1 m−2 s3과 같고, 킬로그램(기호: kg), 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 h, c와 ΔνCs를 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 KJ-90 및 폰 클리칭 상수 RK-90의 협정값 채택 결정이 폐지되었습니다.

2019년 개정, 한 줄로 요약하면

2019년 5월 20일부터 국제단위계의 모든 기본 단위가 물건이 아니라 변하지 않는 자연의 상수로 정의됩니다.

킬로그램 130년 동안 프랑스에 보관된 백금·이리듐 원기가 1kg의 기준이었지만, 이제는 플랑크 상수로 정의됩니다. 원기는 아주 조금씩 질량이 변할 수 있다는 문제가 있었습니다.

함께 바뀐 단위 암페어는 기본 전하, 켈빈은 볼츠만 상수, 몰은 아보가드로 수를 정확한 값으로 고정해 다시 정의했습니다.

정리 — 기준이 ‘보관된 물건’에서 ‘어디서나 같은 자연 상수’로 바뀌어, 언제 어디서든 같은 단위를 재현할 수 있게 됐습니다.

일상생활에는 무엇이 달라졌나요

새 정의는 기존 값과 이어지도록 정해졌기 때문에 생활 속 측정값은 달라지지 않았습니다.

저울과 자 체중계나 줄자의 눈금은 그대로입니다. 1kg과 1m의 크기는 바뀌지 않았습니다.

달라진 곳 아주 정밀한 측정이 필요한 반도체, 의약품, 과학 연구에서 기준을 더 안정적으로 쓸 수 있게 됐습니다.

일곱 가지 기본 단위 초, 미터, 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰, 칸델라이며, 나머지 단위는 이 일곱 가지를 조합해 만듭니다.

정리 — 단위의 크기는 그대로이고, 그 크기를 정하는 방법만 더 단단해졌습니다.

참고 자료 국제도량형국(BIPM) 국제단위계 제9판(2019), 한국표준과학연구원 국제단위계 안내.