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SI 기본 단위는 과학과 기술의 발전에 필수적인 요소로, 전 세계적으로 통일된 측정 기준을 제공합니다. 이 글에서는 7가지 SI 기본 단위 중 시간의 단위 '초(second, s)'에 대해 상세히 알아보고, 그 정의와 역사적 변화, 측정 장비 등을 살펴보겠습니다.
SI 기본 단위 및 관련 자료
| 미터 (m) | 칸델라 (cd) | 캘빈 (K) |
| 암페어 (A) | 킬로그램 (kg) | 암페어 (A) |
| 킬로그램 (kg) |
1. 국제단위계 SI 기본 단위 역사
아래는 7개의 SI 기본 단위가 확립되기까지의 주요 역사를 연도별로 정리한 내용입니다.
1) 초 (second, s)
- 17세기: 1초는 처음으로 태양이 자오선을 통과하는 두 순간 사이의 시간(평균 태양일)을 86,400분의 1로 정의되었습니다.
- 1960년: 세슘 원자의 진동수를 기준으로 하는 정의가 논의되기 시작했습니다.
- 1967년: 현재의 정의인 "세슘-133 원자의 9,192,631,770회의 진동을 기준으로 1초를 정의"하는 방식이 국제적으로 채택되었습니다.
2) 킬로그램 (kilogram, kg)
- 1795년: 1리터의 물의 질량으로 킬로그램이 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금으로 만든 국제 킬로그램 원기를 기준으로 킬로그램이 재정의되었습니다.
- 2019년: 플랑크 상수의 고정된 값을 사용하여 킬로그램을 재정의하였습니다. 이를 통해 원기의 물리적 의존에서 벗어난 정의가 확립되었습니다.
3) 미터 (meter, m)
- 1793년: 프랑스에서 지구 적도에서 극까지 거리의 1/10,000,000에 해당하는 길이로 미터가 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금 막대의 길이를 미터로 정의한 국제 미터원기가 도입되었습니다.
- 1960년: 크립톤-86 원자가 방출하는 특정 빛의 파장을 기준으로 미터가 다시 정의되었습니다.
- 1983년: 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 이동하는 거리를 기준으로 미터가 정의되었습니다.
4) 암페어 (ampere, A)
- 1820년: 안드레 마리 암페르가 전류에 대한 법칙을 처음으로 제안하였습니다.
- 1948년: 국제단위계(SI)에 따라 1암페어는 "진공 상태에서 1m 간격으로 놓인 두 평행 도체에 2 × 10⁻⁷ N의 힘을 발생시키는 전류"로 정의되었습니다.
- 2019년: 기본 전하(전자 1개당 전하)의 고정된 수치를 기준으로 암페어가 재정의되었습니다.
5) 켈빈 (kelvin, K)
- 1848년: 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 절대 온도 개념을 제시하며 켈빈 온도 단위의 기초를 마련하였습니다.
- 1954년: 삼중점에서 물의 온도를 273.16K로 정의하면서 켈빈이 공식 단위로 채택되었습니다.
- 2019년: 볼츠만 상수의 고정된 값을 사용하여 켈빈이 재정의되었습니다.
6) 몰 (mole, mol)
- 1865년: 독일의 화학자 아우구스트 카쿨레가 몰 개념을 처음으로 제안하였습니다.
- 1971년: 몰이 국제단위계에 공식적으로 포함되었으며, 1몰은 아보가드로 수(6.02214076 × 10²³)의 입자로 정의되었습니다.
- 2019년: 아보가드로 상수의 고정된 값을 사용하여 몰이 재정의되었습니다.
7) 칸델라 (candela, cd)
- 1909년: 국제 협약에 따라 촛불의 광도를 기준으로 한 단위로 칸델라가 도입되었습니다.
- 1948년: 칸델라는 "백금에서 방출되는 특정한 주파수의 빛"을 기준으로 정의되었습니다.
- 1979년: 현재의 정의인 "주파수 540 × 10¹² Hz에서 방출되는 빛의 광속 효율을 기준으로 1칸델라"로 재정의되었습니다.
2. 초 (s)의 개념
초는 세슘 133 원자의 바닥 상태 초미세 전이 주파수(ΔνCs)를 9 192 631 770으로 고정된 수치로 정의됩니다. 초는 우리가 일상에서 사용하는 시간의 단위로, 세슘 원자의 고유한 주기적인 진동을 기준으로 매우 정확하게 측정됩니다.
3. 초의 역사적 정의 변화
1) 고대 및 중세: 지구의 자전과 관련하여 하루를 24시간, 1시간을 60분, 1분을 60초로 나누어 시간 단위를 사용했습니다.
2) 1960년대 이전: 지구 자전 주기를 기준으로 초를 정의하였으며, 특히 1 태양일의 86,400분의 1로 정의되었습니다.
3) 1967년 이후: 세슘-133 원자의 진동수를 기반으로 초를 정의하여 현대적인 정확한 시간 측정 시스템을 도입하였습니다.
| https://www.bipm.org/en/si-base-units/second 이 정의는 정확한 관계 Δν Cs = 9 192 631 770 Hz를 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 Δν Cs 에 따라 단위 초에 대한 표현식이 제공됩니다.   |
4. 시간 측정 장비
- 원자시계(Atomic Clock): 원자시계는 초의 정의에 따라 세슘-133 원자의 전이 주기를 기반으로 작동합니다. 이 장비는 현재 가장 정확한 시간 측정 장비로, 전 세계 표준 시간의 유지에 중요한 역할을 합니다. 특히 GPS 시스템, 통신망 동기화, 과학 연구 등에 필수적으로 사용됩니다.
- 루비듐 시계(Rubidium Clock): 세슘 원자보다 덜 정확하지만, 경제적인 이유로 널리 사용됩니다.
※ 표준 장비: 세슘 원자시계(좌: 일본 도쿄대), 이터븀 광시계(우: 한국표준과학연구원)
사이트(일본 도쿄대): https://www.joongang.co.kr/article/17133803
사이트(한국표준과학연구원): https://www.hankyung.com/article/2024011211261
5. 마무리
'초(second)'는 세슘-133 원자의 진동수를 기반으로 한 정밀한 단위로 정의되며, 현대 과학과 기술의 필수적인 시간 측정 기준입니다. 이를 통해 GPS, 통신, 천문학 등 다양한 분야에서 정확한 시간을 유지할 수 있습니다.