안녕하세요! be별하입니다. 물리학에 대해 정리하였으니, 이제 본격적으로 일반물리에 대해 작성해보도록 하겠습니다. 첫번째 순서는 바로 측정하는데 필요한 '단위'입니다.
우리는 일상 속에서 시간 개념(초,분,시), 공간 개념(cm,m,km)를 사용하고 있습니다. 하지만 이 개념들이 어떻게 정의되는지 대부분의 사람들은 모르고 계실 것입니다. 개념이 명확하게 정의되지 않으면, 사람마다 달라 정확도가 낮아지기 때문에 정확한 기준이 필요합니다. 그래서 나온 것이 바로 국제단위계(SI)입니다.
SI는 국제적으로 사용되는 단위 체계로, 현재 이론에 따라 상수가 되도록 정의해 과학이나 기술 등에서 사용되는 단위의 일관성과 정확성을 담보하였습니다. SI는 일곱 개의 기본 단위와 이들을 기반으로 한 유도 단위를 사용하는데, 기본 단위는 초(s)/ 미터(m)/ 킬로그램(kg)/ 켈빈(K)/ 암페어(A)/ 몰(mol)/ 칸델라(cd)입니다.
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| SI 단위 |
초 (s) defined by 세슘 진동수
초(s)는 시간의 기본 단위로, 초 단위는 정확히 9,192,631,770번의 진동을 가지는 세슘 원자의 기준을 따릅니다. 초(s) 당 진동하는 세슘 원자의 수를 측정함으로써 시간을 계산합니다. 이 정의는 에너지 준위 차이가 매우 안정적이며 현대 원자 시계를 사용하여 정밀하게 측정할 수 있다는 사실에 기반을 두고 있습니다.
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| 세슘 |
미터 (m) defined by 빛
미터는 길이의 기본 단위로, 미터 단위는 빛이 진공 상태에서 1/299,792,458초 동안 진행하는 거리를 기준으로 정의됩니다. 이 정의는 진공 상태에서 광속 불변의 법칙에 의해 빛의 속도가 기본적으로 상수이고, 현대 기술을 사용하여 매우 높은 정밀도로 측정할 수 있다는 사실에 기초하고 있습니다. 참고로 미터는 크립톤 원자가 방출하는 빛의 파장을 이용해 정의되었다가 2019년에 수정되어 특정 물리적 대상이 아닌 고정된 빛의 속도 값에 기초하여 정의되도록 변경되었습니다. 파장을 이용한 정의에도 오차가 있어 정확성과 신뢰성을 향상시키기 위한 것이죠.
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| 광속 불변의 법칙 |
킬로그램 (kg) defined by 전기력
킬로그램은 질량의 기본 단위로, 기존에는 정밀한 플래티늄-이리듐 합금 원기둥으로 정의했으나, 2019년부터 킬로그램은 플랑크 상수와 아보가드로 수, 볼츠만 상수 등의 물리 상수를 이용해 정의했습니다. 새로운 정의에서는 킬로그램의 질량은 플랑크 상수를 이용해 전기계량기 등을 통해 측정 가능한 전기적 힘의 크기와 관련된 것으로 정의됩니다. 이 방법은 물리적인 플래티늄-이리듐 원기둥의 불안정성 문제를 해결하고, 더욱 정확하고 안정적인 킬로그램 측정을 가능하게 합니다.
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| 전기력 |
켈빈 (K) defined by 볼츠만 상수
켈빈은 온도의 기본 단위로, 그 크기는 새로운 정의에 의해 볼츠만 상수에 의해 정의됩니다. 이전에 물의 삼중점에서 정의했던 시기와 달리, 이 정의에서는 '상수'를 활용하기 때문에 위의 킬로그램과 마찬가지로 더욱 정확한 온도 측정이 가능합니다.
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| 볼츠만 상수 정의 |
암페어 (A) defined by 기본전하
암페어는 전기의 기본 단위로, 1 암페어(A)는 초당 6.241 × 10^18 개의 기본 전하의 흐름으로 정의됩니다. 즉, 1 A의 전류가 도체를 통해 흐르고 있다면 매 초 회로의 주어진 지점을 지나 6.241 × 10^18개의 전자(또는 양성자)를 운반하고 있음을 의미합니다.
이 정의는 단일 전자(또는 양성자)의 전하가 자연의 기본 상수라는 사실에 기반하고 있습니다.
* 기본전하 e는 쿨롱(C) 단위로 나타낼 때 그 수치를 1.602 × 10^-19로 고정할 수 있습니다.
몰 (mol) defined by 아보가드로수
몰은 물질의 양의 기본 단위로, 원자나 분자, 이온 등의 입자 수를 나타내는 단위입니다. 1몰은 아보가드로수(6.02 × 10^23)으로 정의되는데, 오늘날 아보가드로수는 탄소-12 원자량의 정확한 측정을 기반으로 탄소-12 12g에 들어 있는 탄소-12 원자의 수로 정의하고 있습니다. 참고로 몰은 화학 반응과 같은 물질의 양을 측정하기 위해 많이 사용됩니다.
칸델라 (cd) defined by 단색광의 진동수
칸델라는 빛의 강도의 기본 단위로, 얼마나 밝느냐를 나타내는 단위입니다. 1 칸델라는 진동수가 540×10^12 Hz인 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 특정 방향으로 1 스테라디안(sr) 당 1/638 와트(W)일 때의 광도로 정의됩니다. 빛과 관련된 단위에는 루멘(lm), 럭스(lx)도 있는데, 칸델라는 특정 방향에서의 빛의 밝기를 나타낸다는 점에서 차이가 있습니다.
자세한 내용은 한국표준과학연구원(KRISS)에서 보실 수 있습니다.
| 빛 |
이렇게 해서 오늘은 국제단위계(SI)에 대해 알아보았습니다. 단위는 뭐든지 측정하는데 있어 정말 기본이 되기 때문에 잘 알고 사용하시는 것이 중요합니다. 오늘부로 본격적으로 일반물리학에 대해 다뤄보도록 하겠습니다!
