② 전류 , 물질량 , 온도 까지 상수 로 정의 한다 편집자 주 : 최근 세계 표준 학계 가 분주 하 다 . 11 월 열리 는 국제 도량형 총회 에서 7 가지 기본 단위 중 길이 ( m ) 와 시간 ( s ) , 광도 ( cd ) 를 제외 한 질량 ( kg ) 과 온도 ( K ) , 전류 ( A ) , 몰수 ( mol ) 등 네 가지 단위 에 대한 재정 의 내용 을 확정 하 기 때문 이 다 . 이 총회 에서 결정 된 새 표준 단위 는 1 년 후 인 2019 년 5 월 20 일 세계 측정 의 날 을 기점 으로 전 세계 적 으로 적용 된다 . 동아 사이언스 는 표준 단위 변화 의 원인 과 결과 를 2 회 에 걸쳐 알아본다 . 위키피디아 제공 앞선 기사 에서 다뤘 듯 , 불변 하 리라 여겨졌 던 질량 기준 이 변하 고 있 다 . 질량 이 변하 면 변화 를 피할 수 없 는 기본 단위 도 생겨난다 . 바로 ‘ 전류 ( A , 암페어 ) ’ 와 물질량 인 ‘ 몰 ( mol ) ’ 이 다 . 이 두 가지 기본 단위 의 현재 정의 내용 속 에 질량 의 개념 이 포함 돼 있 기 때문 이 다 . 그래서 전류 는 기본 전하량 ( e ) , 몰 수 는 새롭 게 정의 한 아보가드로수 ( NA ) 의 고정 된 자연 상수 값 을 이용 해 재 정의 한다 . 여기 에 더 해 온도 의 정의 도 새롭 게 정해진다 . 변하 는 표준 단위 와 재정 의 내용 - 한국 표준 과학 연구원 제공 ● 전류 기존 정의 확인 어려워 . .. 양자 물리 기반 한 ' e ' 으로 재정 의 ' 전류 단위 1 A ( 암페어 ) 는 ‘ 힘 의 법칙 으로 1 m 길이 의 평행 한 두 도선 사이 의 인력 ‘ 현재 교과 과정 에선 전류 의 단위 에 대해 이렇게 가르친다 . 그런데 암페어 는 정의 가 불분명 하 고 현실 과 동떨어진 면 이 있 었 다 . 김남 한국 표준 과학 연구원 ( KRISS ) 전자기 표준 센터 책임 연구원 은 “ 기본 단위 인 A 를 제대로 얻 기 위해선 다 단계 의 정밀 측정 단계 가 필요 해 굉장히 복잡 하 다 ” 며 “ 인력 을 얻 기 위해 도선 의 길이 와 중력 가속 도 두 도선 사이 거리 등 을 정확히 재야 하 기 때문 ” 이 라고 설명 했 다 . 특히 질량 이 변하 는 걸 알 게 된 지금 , 질량 과 가속도 로 정의 되 는 힘 을 통해 전류 를 정의 한 채 로 놓아둘 수 는 없 었 다 . 김 연구원 은 이어 “ 전류 와 연관 된 자연 상수 값 인 기본 전하량 ( 이하 e ) 이용해 그 값 을 알 수 있 도록 하 자는 논의 가 있 었 다 ” 고 말 했 다 . 이미 빛 의 상수 로 정의 돼 있 던 길 이 단위 나 플랑크 상수 를 활용 해 재정 의 하 는 질량 처럼 , 단위 를 특정 물리 상수 로 정의 하 는 것 은 모두 양자 물리 이론 에 근거 한다 . 양자 물리학 에서 는 손 에 잡히 지 않 는 에너지 를 포함 한 모든 물리 현상 이 자연 상수 로 됐 다고 믿 는다 . 실제로 전류 가 흐르 는 방향 에 수직 으로 잰 전압 과 전류 를 간단 한 수식 에 넣 어서 계산 한 값 은 띄엄띄엄 특정 정수 값 으로 나타난다 . 1988 년 미국 프린스턴 대 덩컨 홀데인 교수 가 제시 한 양자 홀 효과 다 . 그 는 2016 년 이 를 인정받 아 노벨상 을 받 았 다 . 이런 이론 적 근거 를 바탕 으로 전류 를 단위 시간 동안 정수 값 의 에너지 를 갖 는 전하 알갱이 의 일정 한 흐름 으로 재정 의 했 다 . 전하 알갱이 가 갖 는 e 값 을 ‘ 1 . 1602176634 x 10 - 19 C ( 쿨롱 ) ’ 이 라는 기준 으로 고정 할 계획 이 다 . 각 국 의 연구 진이 단위 시간 당 몇 개 의 전자 지나가 는 지 측정 하 는 장치 를 개발 하 는 중 이 다 . 김남 박사 는 “ 현재 국내 에 선 고도 의 정확도 로 고정 된 기본 전하량 값 을 실현 하 진 못한 상황 ” 이 라며 향후 5 년 내 가능 할 것 “ 이 라고 말 했 다 . KRISS 연구 진이 기본 전하량 측정 에 사용 되 는 단전 자 펌프 소자 의 성능 평가 를 진행 하 고 있 다 - KRISS 제공 ● 탄소 원자 의 질량 통해 정의 된 몰 … 아보가드로수 로 재탄생 처음 과학 을 배우 는 학생 들 대부분 은 ‘ 일곱 가지 국제 SI 기본 단위 중 에 몰 ( mol ) 이 왜 포함 되 느냐 ’ 라는 질문 을 종종 한다 . ‘ 물질 마다 다 특성 이 다른 데 원자 의 개수 를 따져 무엇 하 냐 ’ 는 것 이 다 . 그러면 선생 님 은 웃음 을 지으며 이렇게 말 할 것 이 다 . ‘ 보일 의 법칙 , 이상 기체 상태 방정식 등 물리 화학 적 법칙 들 이 물질 을 구성 하 는 입자 의 개수 만 으로 결정 되 는 것 들 이 많 기 때문 이 야 ! ’ 몰 은 물질 의 양 을 나타내 는 단위 로 , ‘ 탄소 - 12 ( C 12 ) 의 0 . 012 kg 속 에 들 어 있 는 원자 의 개수 와 같 은 수 ’ 라고 정의 해 왔 다 . 이경석 KRISS 분석 화학 표준 센터 책임 연구원 는 “ 현재 몰 의 정의 는 질량 에 의존 적 인 값 으로 변화 가 필요 했 다 ” 며 “ 특히 원자 의 개수 라는 개념 이 세 는 사람 마다 달라서 정밀 한 화학 이나 바이오 산업 에선 문제 가 될 수 있 었 다 ” 고 설명 했 다 . 이런 오류 가 일어나 지 않 도록 표준 학계 는 아보가드로 수 ( 이하 NA ) 를 새로 고정 할 계획 이 다 . 현재 몰수 를 재 정의 하 기 위한 NA 값 으로 ' 6 . 02214076 X 1023 ' 수치 가 제안 된 상태 다 . NA 값 측정 을 위해 페레 데이 상수 를 기본 전하량 으로 나누 는 전하량 적 정법 , 실리콘 결정 의 입자 밀도 를 통한 엑스선 결정 밀도 측정 법 등 다양 한 방식 으로 중 이 다 . KRISS 측 도 실리콘 몰 질량 의 정밀 측정 능력 을 확보 하 기 위한 연구 를 진행 중 이 다 . ● 온도 단위 K , 물 의 삼중점 에서 볼츠만 상수 를 이용 해 재 정립 새로 정립 되 는 단위 중 마지막 남 은 한 가지 , 온도 의 국제 SI 단위 는 일상 생활 에선 친숙 하 지 않 은 켈빈 ( 이하 K ) 이 다 . 우리 가 날씨 예보 에서 흔히 듣 는 섭씨 온도 ( C ) 는 K 에서 273 . 15 를 뺀 값 이 다 . 섭씨 온도 는 물 의 어는점 과 끓는점 을 100 등분 해 만든 값 으로 이번 에 K 가 바뀐 면 섭씨 값 도 수정 될 것 이 다 . 물론 이미 계산 된 값 이 발표 되 며 그 차이 가 미비 하 기 때문 에 일상 생활 에서 느껴 지 는 변화 는 없 을 것 으로 보인다 . 한국 표준 과학 연구원 에서 보유 하 고 있 는 물 의 삼중점 셀 ( 얼음 , 물 , 수증기 가 공존 하 는 상태 ) - KRISS 제공 K 는 물 의 삼중점 에 해당 하 는 , 열역학 적 온도 의 273 . 16 분 의 1 인 값 이 다 . 물 의 삼중점 이 란 기체 와 액체 그리고 고체 3 가지 상태 가 동시 에 존재 하 는 지점 이 다 . 양인석 KRISS 열 유체 표준 센터 책임 연구원 은 “ 자연 계 의 물 을 이용 한 K 은 질량 원기 로 측정 했 던 kg 처럼 완전히 인공 적 인 방법 으로 측정 한 것 은 아니 다 ” 라며 “ 하지만 빛 의 속도 처럼 K 역시 기본 상수 로 정의 하 자는 데 ( 학자 들 이 ) 의견 을 모은 것 ” 이 라고 설명 했 다 . 그 는 이어 “ 온도 가 분자 의 상대 적 운동 에 의해 달라지 는 만큼 관련 자연 상수 값 인 ‘ 볼츠만 상수 ’ 를 최대한 정밀 하 게 측정 하 는 게 관건 ” 이 라고 말 했 다 . 결국 K 값 은 정확 한 볼츠만 상수 값 측정 이 관건 이 다 . 과거 에 는 측정 시 마다 , 측정 장비 마다 조금 씩 다르 게 나왔 지만 2014 년 프랑스 에서 측정 한 가장 정확 도 높 은 값 을 기준 으로 고정 값 이 정해졌 다 . 새로 제안 된 볼츠만 상수 의 값 은 그 단위 를 kg m 2 s - 2 K - 1 으로 정의 할 때 ‘ 1 . 380649 X 10 - 23 ’ 이 다 . 양 연구원 은 이번 에 새로 정의 될 예정 인 표준 단위 값 들 에 대해 “ 과학 기술 과 산업 전반 에 당장 눈 에 띄 는 영향 을 주 는 것 은 아니 다 ” 며 “ 하 지만 앞 으로 이 를 적용 해야 할 첨단 분야 가 있 을 것 ” 이 라고 전망 했 다 . 2018 현재 7 가지 국제 기본 SI 단위 의 정의 내용 이 다 . 이중 길이 와 시간 광도 는 그대로 두 고 나머지 질량 과 전류 , 몰수 , 온도 등 이 자연 상수 를 이용 해 재정 의 된다 . - KRISS 제공 [ 김진호 기자 twok @ donga . com ]