SI 기본 단위
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1. 개요
SI 기본 단위는 7개의 기본 물리량을 측정하는 데 사용되는 국제단위계(SI)의 기본 단위이다. 2019년 5월 20일, 국제도량형국(BIPM)은 기존의 SI 기본 단위 정의를 대체하는 새로운 정의를 도입했다. SI 기본 단위는 시간(초), 길이(미터), 질량(킬로그램), 전류(암페어), 열역학적 온도(켈빈), 물질량(몰), 광도(칸델라)로 구성되며, 각 단위는 고정된 수치값을 갖는 물리 상수를 기반으로 정의된다. 2019년 재정의를 통해 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰의 정의가 변경되었으며, 모든 SI 기본 단위는 변하지 않는 물리 상수를 기반으로 정의되어 보편적인 측정 기준을 확립하게 되었다.
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킬로그램은 질량의 SI 단위로, 2019년 5월 20일부터 플랑크 상수를 기반으로 재정의되어 더 이상 국제 킬로그램 원기에 의존하지 않는다. - SI 단위계 - 미터법
미터법은 프랑스에서 창안되어 전 세계적으로 널리 사용되는 십진법 기반의 측정 단위계로, 지구 자오선을 기준으로 한 미터를 길이의 기본 단위로 채택하여 시작되었으며, 현재는 국제단위계로 표준화되어 다양한 분야에서 활용된다. - SI 단위계 - 와트
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| SI 기본 단위 | |
|---|---|
| SI 기본 단위 | |
| 기본 정보 | |
| 국제단위계 | SI |
| 기본 단위 수 | 7개 |
| 단위 목록 | |
| 길이 | 미터 (m) |
| 질량 | 킬로그램 (kg) |
| 시간 | 초 (s) |
| 전류 | 암페어 (A) |
| 열역학적 온도 | 켈빈 (K) |
| 물질량 | 몰 (mol) |
| 광도 | 칸델라 (cd) |
| 특징 | |
| 정의 | 다른 물리량의 단위로 표현할 수 없는 독립적인 단위. |
| 역할 | SI 조립 단위를 포함한 모든 SI 단위를 정의하는 기준. |
| 단위 일관성 | 모든 단위는 기본 단위로 표현 가능. |
| 측정 | 매우 정확하게 측정할 수 있도록 정의. |
| 역사 | 미터법에서 발전됨. |
| 관련 문서 | |
| 관련 링크 | SI SI 조립 단위 SI 접두어 물리 단위 단위 변환 자연 단위계 |
2. SI 기본 단위의 정의
2019년 5월 20일부터 국제단위계(SI)의 기본 단위는 불변의 물리 상수를 기반으로 새롭게 정의되었다.[1] 이는 국제단위계(SI)의 2019년 개정의 최종 단계로서, BIPM이 이전 정의를 대체하며 공식적으로 도입한 것이다.
새로운 정의는 2018년 11월 16일에 채택되었고, 2019년 5월 20일에 발효되었다. 1875년 미터 조약 이후 여러 차례 기본 단위의 정의가 수정되었으며, 새로운 단위가 추가되기도 했다. 1960년 미터의 재정의 이후, 킬로그램은 자연의 특성이 아닌 물리적 인공물에 직접적으로 정의된 유일한 기본 단위였다. 이 때문에 다른 여러 SI 기본 단위가 동일한 인공물의 질량에 간접적으로 정의되는 문제가 발생했다. 몰, 암페어, 칸델라는 파리 근교 금고에 보관된 골프공 크기의 백금-이리듐 원통인 국제킬로그램원기의 질량에 대한 정의를 통해 연결되었다.
측정학에서는 킬로그램을 미터가 현재 빛의 속도로 정의된 방식과 같이 기본 상수로 정의하는 것이 오랫동안 목표였다. 21차 국제도량형총회(CGPM, 1999)는 이러한 노력을 공식적으로 인정하고, 질량 단위를 기본 또는 원자 상수에 연결하는 실험을 개선하기 위한 노력을 계속할 것을 권장했다.[1] 플랑크 상수와 아보가드로 상수가 특히 주목을 받았다.
2005년 국제도량형위원회(CIPM)는 킬로그램, 암페어, 켈빈에 대한 새로운 정의 준비를 승인했고, 아보가드로 상수를 기반으로 한 몰의 새로운 정의 가능성을 언급했다.[2] 23차 CGPM(2007)은 2011년 다음 총회까지 공식적인 변경을 연기하기로 결정했다.[3]
2009년 10월, CIPM ''자문위원회 - 단위''(CCU) 위원장 Ian Mills는 CIPM에 보낸 메모에서[4] 현재 정의에 따른 물리 기본 상수의 불확실성과 제안된 새로운 정의 하에서의 값을 분류했다. 그는 CIPM에 플랑크 상수(''h''), 기본 전하(''e''), 볼츠만 상수(''k''), 아보가드로 상수(''N''A)와 같은 기본 상수의 값을 참조하도록 ''킬로그램'', ''암페어'', ''켈빈'', ''몰''의 정의에 대한 제안된 변경 사항을 수락할 것을 촉구했다.[5] 이 방법은 이러한 상수의 측정이 충분한 정확도로 달성된 후인 2018년에 승인되었다.
SI 기본 단위는 7개가 있으며, 시간, 길이, 질량, 전류, 온도, 물질량, 광도 각 물리량에 대해 각각 초, 미터, 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰, 칸델라가 정해져 있다.[6]
7개의 SI 기본 단위를 아래 표에 나타낸다.[10][11]
| 물리량 | 단위 | 기호 | 현재 정의[13][14] | 과거 정의 (예시) |
|---|---|---|---|---|
| 시간 | 초 | s | 초(기호는 s)는 시간의 SI 단위이며, 세슘 주파수 ΔνCs, 즉 세슘-133 원자의 섭동을 받지 않는 바닥 상태의 초미세 구조 전이 주파수를 단위 Hz(s−1과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 9192631770으로 정함으로써 정의된다. | 평균태양일의 1/86400 |
| 길이 | 미터 | m | 미터(기호는 m)는 길이의 SI 단위이며, 진공 중의 빛의 속도 c을 단위 m s−1로 나타낼 때, 그 값을 299792458로 정함으로써 정의된다. 여기서, 초는 세슘 주파수 ΔνCs에 의해 정의된다. | 지구의 파리를 통과하는 북극점에서 적도까지의 길이의 1000만분의 1 |
| 질량 | 킬로그램 | kg | 킬로그램(기호는 kg)은 질량의 SI 단위이며, 플랑크 상수 h를 단위 J s(kg m2 s−1과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 6.62607015×10-34로 정함으로써 정의된다. 여기서, 미터와 초는 c 및 ΔνCs에 관련하여 정의된다. | 최대 밀도 온도에서 1 L의 물의 질량 |
| 전류 | 암페어 | A | 암페어(기호는 A)는 전류의 SI 단위이며, 기본 전하 e를 단위 C(A s와 같음)로 나타낼 때, 그 값을 1.602176634×10-19로 정함으로써 정의된다. 여기서, 초는 ΔνCs에 의해 정의된다. | 진공 중에 1미터 간격으로 같은 크기의 전류가 흐를 때, 양자 사이에 작용하는 힘이 1미터당 2×10-7뉴턴일 때의 전류 |
| 열역학적 온도 | 켈빈 | K | 켈빈(기호는 K)은 열역학적 온도의 SI 단위이며, 볼츠만 상수 k를 단위 J K−1(kg m2 s−2 K−1과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 1.380649×10-23로 정함으로써 정의된다. 여기서, 킬로그램, 미터 및 초는 h, c 및 ΔνCs에 관련하여 정의된다. | 물의 표준 대기압 하에서의 녹는점과 끓는점의 온도 차의 100분의 1 |
| 물질량 | 몰 | mol | 몰(기호는 mol)은 물질량의 SI 단위이며, 1몰에는 정확히 6.02214076×1023개의 기본 입자가 포함된다. 이 수는 아보가드로 상수 NA를 단위 mol−1로 나타낼 때의 값이며, 아보가드로 수라고 한다. 계의 물질량(기호는 n)은 특정된 기본 입자의 개수의 척도이다. 기본 입자는 원자, 분자, 이온, 전자, 기타 입자 또는 입자의 집합체의 어느 것이어도 좋다. | 1 g/mol의 원자량 또는 분자량 |
| 광도 | 칸델라 | cd | 칸델라(기호는 cd)는 소정의 방향에서의 광도의 SI 단위이며, 주파수 540×1012 Hz의 단색 방사의 시감 효율도 Kcd를 단위 lm W−1(cd sr W−1 또는 cd sr kg−1 m−2 s3과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 683으로 정함으로써 정의된다. 여기서, 킬로그램, 미터 및 초는 h, c 및 ΔνCs에 관련하여 정의된다. | 촉(양초 1개의 광도) |
2. 1. 시간: 초 (s)
초(기호 s)는 시간의 SI 단위이다. 세슘 133 원자의 바닥 상태 초미세 전이 주파수(∆''ν''Cs)의 고정된 수치값을 단위 Hz(s−1과 같음)로 표현했을 때 9192631770으로 정의한다.[1] 이는 2019년 5월 20일에 국제단위계(SI)의 2019년 개정의 최종 단계에서 BIPM이 공식적으로 도입한 정의이다.[1]역사적으로 하루는 24시간으로, 각 시간은 60분으로, 각 분은 60초로 나뉘었다. 초는 평균태양일의 1/86400로 정의되었으며, 평균 태양일은 연속적인 두 번의 국지적 겉보기 태양 정오 사이의 평균 시간이었다.
2019년 재정의를 거쳐 기본 단위 정의의 기재 순서에서 시간이 가장 첫 번째로 오게 되었다.[15]
2. 2. 길이: 미터 (m)
미터(기호 m)는 길이의 SI 단위이며, 진공 중 빛의 속도 ''c''의 고정된 수치값을 단위 (여기서 초는 ∆''ν''Cs에 따라 정의됨)로 표현했을 때 299792458로 정의한다.[1]이는 지구의 적도에서 북극까지 파리를 지나는 자오선 호를 따라 측정한 거리의 10000000분의 1을 기준으로 정해졌던 과거의 정의에서 발전된 것이다.
2. 3. 질량: 킬로그램 (kg)
킬로그램(기호는 kg)은 질량의 SI 단위이며, 플랑크 상수 ''h''를 단위 J s (kg m2 s−1과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 로 정함으로써 정의된다.[1] 여기서, 미터와 초는 빛의 속도( ''c'') 및 세슘 주파수(ΔνCs)에 관련하여 정의된다.2019년 5월 20일 이전에는 국제킬로그램원기(IPK)의 질량을 기준으로 킬로그램이 정의되었다. 국제킬로그램원기는 백금-이리듐 합금으로 만들어진 실린더 형태의 물체로, 프랑스 파리 근교의 금고에 보관되어 있었다.
하지만 시간이 지남에 따라 국제킬로그램원기의 질량이 미세하게 변할 수 있다는 문제점이 제기되었다. 이에 따라 과학자들은 더 안정적이고 정확한 질량 단위를 정의하기 위해 노력했고, 2019년에 플랑크 상수를 기반으로 킬로그램을 재정의하게 되었다.
플랑크 상수는 양자역학의 기본 상수로, 에너지와 주파수의 관계를 나타낸다. 킬로그램을 플랑크 상수로 정의함으로써, 질량은 더 이상 특정 물체에 의존하지 않고, 자연의 근본적인 물리 법칙에 기반하게 되었다.
과거에는 녹는 얼음 온도에서 물 1리터의 질량을 킬로그램의 기준으로 삼았다.[1] 리터는 1세제곱미터의 1000분의 1에 해당한다.
2. 4. 전류: 암페어 (A)
암페어(기호 A)는 전류의 SI 단위이며, 기본 전하량 ''e''를 단위 C(A s와 같음)로 나타낼 때, 그 값을 로 정함으로써 정의된다. 여기서, 초는 Δ''ν''Cs에 의해 정의된다.[1]| 이름 | 기호 | 측정량 | 2019년 이후 공식 정의[1] | 역사적 기원/근거 | 차원 기호 |
|---|---|---|---|---|---|
| 암페어 | A | 전류 | "암페어(기호 A)는 전류의 SI 단위입니다. 기본 전하량 e의 고정된 수치값을 단위 C(A s와 같음)로 표현했을 때 로 정의합니다."[1] | 원래의 "국제 암페어"는 전기화학적으로 질산은 용액에서 1초에 1.118밀리그램의 은을 석출하는 데 필요한 전류로 정의되었습니다. | I |
| 물리량 | 단위 | 현재 정의[13][14] | 과거 정의 (예시) | |
|---|---|---|---|---|
| 전류 | 암페어 | A | 암페어(기호는 A)는 전류의 SI 단위이며, 기본 전하 e를 단위 C(A s와 같음)로 나타낼 때, 그 값을 로 정함으로써 정의된다. 여기서, 초는 ΔνCs에 의해 정의된다. | 진공 중에 1미터 간격으로 같은 크기의 전류가 흐를 때, 양자 사이에 작용하는 힘이 1미터당 뉴턴일 때의 전류 |
2. 5. 열역학적 온도: 켈빈 (K)
켈빈(기호 K)은 열역학적 온도의 SI 단위이며, 볼츠만 상수 ''k''를 단위 J K−1(kg m2 s−2 K−1과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 로 정함으로써 정의된다.[1] 여기서, 킬로그램, 미터 및 초는 플랑크 상수 ''h'', ''c'', Δ''ν''Cs에 관련하여 정의된다.2. 6. 물질량: 몰 (mol)
몰(기호 mol)은 물질량의 SI 단위이며, 1몰에는 정확히 개의 기본 입자가 포함된다.[1] 이 수는 아보가드로 상수 ''N''A를 단위 mol−1로 나타낼 때의 값이며, 아보가드로 수라고 한다.[1] 계의 물질량(기호 ''n'')은 특정된 기본 입자의 개수의 척도이다. 기본 입자는 원자, 분자, 이온, 전자 또는 기타 입자, 혹은 입자의 집합체가 될 수 있다.[1]몰은 원자량 또는 분자량을 몰 질량 상수(1 g/mol)로 나눈 값을 기반으로 정의된다.[1]
2. 7. 광도: 칸델라 (cd)
칸델라(기호 cd)는 주어진 방향의 광도의 SI 단위이며, 주파수 의 단색 방사의 시감 효율도 ''K''cd를 단위 lm W−1 ( 또는 과 같음)로 나타낼 때, 그 값을 683으로 정함으로써 정의된다.[1] 여기서 킬로그램, 미터 및 초는 플랑크 상수 ''h'', 광속 ''c'', Δ''ν''Cs에 관련하여 정의된다.3. SI 기본 단위의 역사
SI 기본 단위는 미터법에서 유래되었으며, 여러 물리량에 대한 측정 단위를 통일하여 하나의 물리량을 하나의 단위로 표현하는 것을 목표로 한다.[6] SI 기본 단위에는 시간 (초), 길이 (미터), 질량 (킬로그램), 전류 (암페어), 온도 (켈빈), 물질량 (몰), 광도 (칸델라)가 있다.
1875년 미터 조약 이후 기본 단위의 정의는 여러 차례 수정되었고, 새로운 단위가 추가되기도 했다. 1960년 미터 재정의 이후, 킬로그램은 물리적 인공물(국제킬로그램원기)에 직접적으로 정의된 유일한 기본 단위였다. 이는 몰, 암페어, 칸델라 등 다른 SI 기본 단위들이 국제킬로그램원기의 질량에 간접적으로 연결되는 원인이 되었다.
측정학에서는 킬로그램을 빛의 속도로 정의된 미터처럼 기본 상수로 정의하는 것을 오랫동안 목표로 하였다. 1999년 제21차 국제도량형총회(CGPM)는 질량 단위를 기본 상수 또는 원자 상수와 연결하는 실험을 개선할 것을 권장했다. 플랑크 상수와 아보가드로 상수를 이용한 정의가 주목받았다.
2005년 국제도량형위원회(CIPM)는 킬로그램, 암페어, 켈빈의 새로운 정의 준비를 승인했고, 아보가드로 상수를 기반으로 한 몰의 새로운 정의 가능성을 언급했다.[2] 2007년 제23차 CGPM은 2011년 다음 총회까지 공식적인 변경을 연기하기로 결정했다.[3]
2009년 10월, CIPM 자문위원회 - 단위(CCU) 위원장 Ian Mills는 CIPM에 물리 기본 상수의 불확실성과 새로운 정의 하에서의 값을 분류하고, 기본 상수의 값을 참조하여 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰의 정의를 변경할 것을 제안했다.[4][5]
2019년 개정에 따라 SI 기본 단위는 7개의 정의값(물리상수 및 물질 고유의 특성값)을 기반으로 정의되게 되었다. 모든 일관성 있는 SI 단위가 7개의 정의값을 기반으로 직접 정의·구축할 수 있게 되어, SI 기본 단위와 SI 조합단위 사이에는 원리적으로 차이가 없다.[9]
3. 1. 2019년 SI 기본 단위 재정의
2018년 11월 16일 제26차 국제도량형총회(CGPM)에서 새로운 SI 기본 단위 정의가 채택되었고, 2019년 5월 20일부터 시행되었다. 이 정의 변경의 핵심은 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰을 포함한 SI 기본 단위를 재정의한 것이다.[17]이전에는 킬로그램이 국제킬로그램원기라는 물리적 인공물을 기준으로 정의되었으나, 새로운 정의에서는 플랑크 상수를 기반으로 하여 불변의 물리 상수를 통해 정의된다. 암페어, 켈빈, 몰 또한 각각 기본 전하, 볼츠만 상수, 아보가드로 상수와 같은 불변의 물리 상수를 기반으로 재정의되었다.[4][5]
이러한 변화는 측정의 정확성과 안정성을 크게 향상시켰다. 모든 SI 기본 단위가 불변의 물리 상수를 기반으로 정의됨으로써, 시간과 장소에 구애받지 않고 보편적으로 적용 가능한 측정 기준이 확립된 것이다.
4. 한국의 관점과 사회적 의미
(주어진 원본 소스와 결과물이 없으므로, 수정 작업을 수행할 수 없습니다.)
참조
[1]
웹사이트
The International System of Units (SI), 9th Edition
https://www.bipm.org[...]
Bureau International des Poids et Mesures
2019
[2]
웹사이트
Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants
http://www.bipm.org/[...]
2005
[3]
간행물
Resolution 12: On the possible redefinition of certain base units of the International System of Units (SI)
http://www.bipm.org/[...]
23rd General Conference on Weights and Measures
2007
[4]
웹사이트
Thoughts about the timing of the change from the Current SI to the New SI
http://www.bipm.org/[...]
CIPM
2009-10
[5]
웹사이트
Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units
http://www.bipm.org/[...]
CCU
2010-09-29
[6]
문서
측정 단위
[7]
문서
차원 분석
[8]
문서
일관성 있는 SI 단위
[9]
웹사이트
SI文書第9版（2019）日本語版及び関連資料 「国際単位系（SI）基本単位の定義改定と計量標準」
https://unit.aist.go[...]
국립연구개발법인산업기술종합연구소 계량표준종합센터
2023-10-04
[10]
웹사이트
国際単位系（SI）第9版（2019）日本語版
https://unit.aist.go[...]
산업기술종합연구소
2020-04
[11]
문서
SI 기본 단위의 정의
[12]
서적
国際単位系（SI）第9 版（2019）日本語版
국립연구개발법인산업기술종합연구소 계량표준종합센터
2020-03
[13]
웹사이트
Table 1: The seven base units of the SI
https://www.bipm.org[...]
[14]
서적
国際単位系（SI）第9 版（2019）日本語版
국립연구개발법인산업기술종합연구소 계량표준종합센터
2020-03
[15]
웹사이트
表1 SIの七つの基本単位
https://unit.aist.go[...]
계량표준종합센터, 산총연, 경제산업성
[16]
서적
Le Système international d’unités (SI)
국제도량형국
[17]
웹사이트
Table 1 The seven base units of the SI
https://www.bipm.org[...]
[18]
웹사이트
計量単位令の一部を改正する政令案新旧対照条文
https://www.meti.go.[...]
경산성 산업기술환경국 계량행정실
2019-05-14
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