오늘은 쥬니어 닥터 활동을 위해 아이들이 한국표준과학연구원에 방문하였습니다. "표준"에 대한 과학의 기본에 대해서 대강당에서 강의를 들었답니다. 그래서 표준에 대해서 알아보고자 합니다. 역시 연구원에서는 좀 더 과학현장에서 더 명확하게 아이들에게 이야기를 해 줍니다.
mol (몰) 물질량의 단위
몰 (기호: mol)은 물질량의 SI 단위이다. 1몰은 정확히 6.022 14076×10^23 개의 구성요소를 포함한다. 이 숫자는 mol-1단위로 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. '몰'은 우리가 달걀 30개를 한 판, 바늘 24개를 한 쌈, 마늘 100개를 한 접이라고 하는 것처럼 수많은 원자나 분자의 일정한 개수를 한 단위로 묶은 개념이다. 결국 원자나 분자가 몇 묶음인지를 재는 것이다.
K (켈빈) : 열역학 온도의 단위
켈빈(기호: K)은 열역학 온도의 SI 단위이다. 켈빈은 볼츠만 상수 k를 JK' 단위로 나타낼 때 그 수치를 1.380 649 × 10^23으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 JK'은 kg m2s2K1과 같고, 킬로그램(기호: kg), 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 h, c와 △V를 통하여 정의된다. 볼츠만 상수는 에너지와 온도를 연결시키는 변환 상수이다. 위 정의에 따라서 음향기체 온도계와 같은 일차 온도계를 이용하면 열역학 온도의 정의에 따른 켈빈을 구현할 수 있다. 켈빈의 구현방법 중 가장 실용적인 것은 물의 삼중점이 포함된 물질의 상변화 온도를 이용하는 고정점과 네가지의 내삽 온도계로 정의된 국제온도눈금-1990 (ITS-90)을 따르는 것이다.
A (암페어) 전류의 단위
암페어(기호: A)는 전류의 SI 단위이다. 암페어는 기본전하 e를 C단위로 나타낼 때 그 수치를 1.602176634×10^-19으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 C은 AS와 같고, 초(기호: s)는 △V를 통하여 정의된다. 기본 전하의 일정한 흐름 1e-f 국제도량형위원회(CIPM)의 권고에 따라 현재는 조셉슨 효과(Josephson Effect) 및 양자 홀 효과 (Quantum Hall Effect)를 이용한 전압(V) 및 저항(Ω)으로부터 전류(A) 표준을 유도한다.
kg (킬로그램) 질량의 단위
킬로그램(기호: kg)은 질량의 SI 단위이다. 킬로그램은 플랑크 상수를 Js 단위로 나타낼 때 그 수치를 6.626 070 15×10-34으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 Js는 kg m2s-1과 같고, 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 C와 △Vcs를 통하여 정의된다.
2018년까지는 인공물이 가지는 질량이 킬로그램의 기준이었지만 보다 보편적이고 변하지 않는 기본상수인 플랑크 상수를 기준으로 킬로그램의 정의가 바뀌었다. 단위가 재정의된 이후에는 플랑크 상수를 인공물의 질량과 연결하는 여러가지 실험을 통하여 언제 어디서나 킬로그램을 실현할 수 있다. 현재까지는 실리콘 구의 원자 개수를 세는 XRCD(X-ray crystal density) 실험과 키블저울 실험으로 킬로그램을 실현할 수 있다. 키블저울은 물체에 가해지는 중력과 전자기력을 비교하여 물체의 질량을 재는 저울이다. 일반적인 저울과 달리 자석 내부에 있는 코일을 중력방향으로 일정한 속도로 움직여서 자기장의 세기를 정확하게 알아낸다. 전압과 전류와 같은 전기단위는 조셉슨과 양자 홀과 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 측정하며 물체가 놓여 있는 위치에서의 중력가속도와 코일 속도는 빛의 속도와 세슘 원자 주파수를 기준으로 측정한다.
m (미터) 길이의 단위
미터(기호: m)는 길이의 SI 단위이다. 미터는 진공에서의 빛의 속력 c를 ms-1 단위로 나타낼 때 그 수치를 299 792 458로 고정함으로써 정의된다. 여기서 초(기호: s)는 세슘 주파수 △Vcs 를 통하여 정의된다.
요오드 안정화 헬륨-네온 레이저는 미터의 정의를 구현하기 위한 국가 길이 표준기이다. 이 레이저의 진공파장(f-성분)은 632 991 212.58fm (fm= 10-15 m) (상대불확도: 2.1 x 10-11)이며, 이 상대불확도는 지구 둘레 40,000,000m에 대하여 1mm의 차이도 나지 않는 불확도이다. 게이지 블록은 길이 분야의 대표적인 기준물로서 그 길이가 0.1 mm 로부터 1m에 이르기까지 다양하다. 게이지 블록의 길이는 게이지 블록 간섭계를 사용하여 측정하는데, 이 때 기준이 되는 길이는 주파수가 안정화된 레이저의 파장이며, 게이지 블록 길이의 측정불확도는 수십 nm 정도가 된다.
s (초) 시간의 단위
초(기호: s)는 시간의 SI 단위이다. 초는 세슘-133 원자의 섭동이 없는 바닥상태의 초미세전이 주파수 △Vcs를 Hz 단위로 나타낼 때 그 수치를 9192 631 770 으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 Hz는 s-1 과 같다.
대한민국표준시는 수소메이저와 세슘 원자시계에 의하여 유지되며 GPS의 시각과 정기적으로 비교 · 측정된다. 대한민국표준시와 표준주파수는 표준시보방송(호출부호 HLA, 주파수 5 MHz), 인터넷 표준시각 정보서비스(UTCk), 전화시보(116) 및 교정 등을 통하여 일반 국민과 산업체에 보급하고 있다.
cd (칸델라) 광도의 단위
칸델라(기호: cd)는 어떤 주어진 방향에서 광도의 SI 단위이다. 칸델라는 주파수가 540 x 10^12 Hz인 단색광의 시감효능 K를 ImW-1 단위로 나타낼 때 그 수치를 683으로 고정함으로써 정의된다. 여기서 Im W-1은 cd sr W-1 또는 cd sr kg-1 m-2 s^3과 같고, 킬로그램(기호: kg), 미터(기호: m)와 초(기호: s)는 h, c와 △Vcs를 통하여 정의된다. 광도는 대표적인 광원의 특성으로 단위는 칸델라이다. 칸델라는 저온 절대복사계와 포획형 광검출기로 실현된 가시광선 대역 분광감응도 눈금을 인간의 시감효율과 유사한 분광감응도를 갖는 표준광도계에 전달하고, 개구면적과 광도거리를 길이 표준으로부터 전달받음으로써 실현된다.
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