킬로그램·암페어·몰·켈빈, 4개 측정단위기준 바뀐다

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[사이언스] 킬로그램·암페어·몰·켈빈, 4개 측정단위기준 바뀐다
장진희 기자
2018-11-20 14:35:06

129년이면 1㎏도 변한다

질량의 단위인 ‘킬로그램(㎏)’이 129년 만에 새로 정의된다. 이밖에도 국제단위계(SI·미터법에 따른 측정 단위를 국제적으로 통일한 체계)인 전류 단위 ‘암페어(A)’, 온도 단위 ‘켈빈(K)’, 물질의 양을 나타내는 단위 ‘몰(㏖)’도 재정의된다.

한국표준과학연구원(KRISS)에 따르면 프랑스 베르사유에서 최근 개최된 제26차 국제도량형총회(CGPM·1875년 체결된 국제외교협약인 미터협약에 근거를 두는 국제 측정표준 분야의 최고 의사결정기구)에서 이 같은 기본 단위 4개의 정의가 바뀌었다. 바뀐 단위 기준은 내년 5월 20일(세계 측정의 날)부터 사용된다.

전 세계 도량학자들이 단위를 재정의하게 된 배경을 살펴보고 보다 정확하게 단위를 측정하는 방법은 무엇인지 알아보자.

국제킬로그램원기인 ‘르그랑 K’. 세브르=AP뉴시스

1㎏의 기준이 흔들려요!

국제 도량학계가 단위를 재정의한 이유는 기존의 정의가 시간이 흐름에 따라 변할 가능성이 있어 불안정하기 때문이다. 단위가 불안정하면 일상생활을 비롯한 모든 산업 현장 등에서 다루는 측정값을 신뢰할 수 없게 된다.

현재 1㎏의 기준인 원기(측정량의 단위를 규정하는 기준이 되는 물체)는 1889년 제1회 국제도량형총회에서 정한, 백금과 이리듐을 혼합해 만든 ‘르그랑 K(Le Grand K)’다. 높이와 지름이 각각 39㎜인 이 금속 원기둥은 프랑스 파리 근교 세브르의 국제도량형국(BIPM·단위와 표준의 국제 통일을 목적으로 설립된 기관)이 보관 중이다.

문제는 100년이 넘는 시간이 지나면서 르그랑 K의 무게가 미세하게 줄고 있다는 것이다. 원기 표면에 쌓인 오염물질들을 닦는 등 공기와 만나는 과정에서 질량에 변화가 생긴 것. 질량의 오차 범위는 머리카락 한 올의 무게인 50 마이크로그램(㎍·100만분의 1g) 정도로 일상생활에 영향을 미칠 정도로 크지는 않다. 그러나 정밀한 수치를 요구하는 산업 현장과 과학기술계에서는 무시할 수 없는 숫자다.

한국표준과학연구원이 개발 중인 키블 저울. 한국표준과학연구원 제공

키블 저울로 정확한 질량 재요

CGPM은 단위의 한계를 극복하기 위해 변하지 않는 ‘물리상수(시간에 따라 값이 변하지 않는 물리량)’를 이용하는 방법을 생각해냈다. 1㎏은 ‘플랑크상수’를 이용해 재정의 하기로 했다. 플랑크상수란 더 이상 쪼갤 수 없는 원자 단위 에너지의 크기를 나타내는 값이다.

플랑크상수를 구하기 위해서는 키블 저울이 필요하다. 키블 저울은 전류와 자기장 세기를 플랑크상수를 기준으로 계산해 질량을 정확하게 측정할 수 있는 미래형 저울. 가장 먼저 양팔이 달린 키블 저울의 한쪽에 1㎏에 해당하는 원기를 올려놓는다. 반대편 저울에는 코일(원통 모양으로 여러 번 감은 도선)을 감아 전류를 흘리면서 좌우 균형이 맞는 순간의 전류와 자기장 세기를 측정한다. 즉 물리적 에너지와 전기적 에너지를 비교해 1㎏의 질량을 재는 것. 이때 전기의 단위는 플랑크상수로 표현되는데 이 상수의 단위는 ㎏·㎡/s다. 현재의 측정기술로 미터(m)와 초(s)는 정확히 측정할 수 있기 때문에 1㎏도 정밀하게 계산해낼 수 있다.

이밖에 암페어(A), 켈빈(K), 몰(㏖) 단위도 각각 기본 전하, 볼츠만상수, 아보가드로상수를 이용해 다시 정의됐다. 이번 재정의를 통해 인공물의 변화에 따라 단위 기준이 변하는 한계를 극복할 수 있게 됐다.

▶어린이동아 장진희 기자 cjh0629@donga.com

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