1kg 정의

 

우리 일상 속에서 사용하는 단위인 킬로그램

그런데 1킬로그램이 정확히 얼마인지는 도대체 누가 정한 거고

뭘 근거로 정했기에 1킬로그램은 세월이 지나도 언제나 그대로 정확히 1킬로그램이 있는 걸까?

단위의 필요성은 과거부터 생각되어온 문제다

​

고대 이집트에는 큐빗이라는 단위를 길이를 재는 데에 사용했다

​

근데 이 큐빗이라는 단위를 마땅히 근거로 정할 게 없어

당시 집권 중인 파라오의 팔 길이를 1 큐빗으로 정한다

​

​

​

사실상 그렇게 정확한 단위 측정은 불가능했지

 

정확한 단위의 개념은 전 세계의 교류를 위해서도 꼭 필요하고

또한 그 단위를 매기는 근거 또한 정확해야만 서로 공통된 약속을 할 수 있는 것

​

1초라는 정의도

세슘 133 원자에 특정 전파를 쬐면 진동을 하게 되는데

그 진동수를 세어 9,192,631,770가 되면 '1초' 라 하는 거로 정의를 내렸다

​

​

​

​

​그렇다면 kg 의 정의는 어떻게 내렸을까??

 

전 세계적인 공통된 질량 단위의 필요성은 18세기 유럽에서 시작됐다

​

​

​

과학 발전을 위해 국가 간 과학 교류를 하고 학회도 열고 그랬는데

나라마다 도량형이 달라서 토론하기 전에 도량형 계산을 먼저 하는 문제가 생겼다

​

​

질량에 대한 단위도 필요하다 느낀 사람들은 그라브(Grave) 라는 단위를 내놓았다

 

그라브는 길이 단위인 1m와 기본적인 물질인 물을 기준으로 삼았다.

​

물은 온도에 따라 부피가 변하므로, 어는점인 0℃ 에서 물 1리터(ℓ)(10⁻³m³) 를 근거로 단위를 정했다

 

하지만 타이밍이 안 좋게도 이때 프랑스 혁명이 발생해 귀족들이 싹 다 죽어나갔다

​

​

그라브:Grave 라는 단어는 라틴어 Gravitas:중력 에서 온 단어이지만

프랑스 시민들이 보기에 프랑스 귀족을 의미하는 그라브:Graf 라는 단어와 매우 흡사했고

​

사람들은 중력이라는 질량 단위에 귀족스러운 이름을 주면 안 된다면서 이름을 바꿔야 했다

 

혁명 이후에 프랑스 공화국은 그라브 이름도 문제고 또 단위가 너무 크다고 생각해서

그 1000분의 1에 해당하는 그램(gramme) 단위를 만들어 냈다

 

그런데 곧 다시 1 그램 단위는 너무 작다는 것을 깨닫고

그라브 단위를 다시 쓸려고 하는데 귀족 느낌의 이름을 가진 단위는 쓸 수가 없기에

 

 

1000개의 그램을 의미하는 '킬로그램' 단위가 등장하게 됐다

(킬로 = 1천)

​

​

​

이런 해프닝 때문에

6개의 국제단위 중에서 킬로그램만 '킬로' 라는 규격 명사를 가지게 되었지.

다른 단위는 미터, 초, 암페어 등 고유명사인데 말이야.

​

 

그런 해프닝을 뒤로하고 1799년 국제 학회는

​

킬로그램 단위를 더 정확하게 측정하기 위해

1 킬로그램을 섭씨 4도에서 1리터의 물의 무게라고 다시 정의하였다

​

​

​

왜냐하면 4도에서 물 분자가 가장 밀집한 것으로 관찰되었기 때문이다

 

그런데 물이란 게 증발해버리고 물 분자 사이사이에 공간도 많고 그래서

 

썩 안정적인 물건은 아니라고 판단해

 

학회는 '킬로그램' 이라는 물건을 만들었다

​

이 쇳덩이는 백금으로 만들어지고 4도에서 1리터의 물과 같은 무게를 가졌다

그리고 1 킬로그램은 더 이상 물의 부피로 계산되는 게 아니고 이 쇳덩이 그 자체가 되었다

 

1889년에 이 '킬로그램'은 훨씬 더 안정적인 백금-이리듐 합금 실린더로 제작되었고

"국제 프로토타입 킬로그램" 이란 이름을 받았다

​

그리고 지금까지도 이 쇳덩이가 우리 일상에 쓰는 1kg을 정의하고 있다.

이 쇳덩이의 무게가 곧 전 세계에서 사용하는 1 kg 의 약속이다

​

 

 

이 '킬로그램'은 3개의 진공관 속에 포장되고 기온 조절이 된 3중 보안의 금고 안에 보관되어 전 세계로 보내졌다

​

이 1kg의 기준이 되는 킬로그램은 안전하게 보관되어

혹시나 오차가 생겨 1kg의 기준이 달라질까 우려해 철저히 오차도 기록했다

 

하지만 1948년에 이 40개의 복제품을 다시 프랑스로 불러와서 무게를 재보니까 진짜로 무게가 달라졌다

​

지문 한 점도 안 되는 마이크로그램 규모의 차이지만

분명 이 킬로그램들은 무게가 불규칙하게 바뀌어 있었다

​

​

당연히 실제 측정 전에 굉장히 정밀한 세척작업이 이루어졌기 때문에

누가 만진 지문 무게가 들어가 차이가 나는 건 아니다

 

금속은 기본적으로 산화가 된다 열을 가하면 산화가 더 빨라진다

산화(oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 것을 말한다

​

공기 중의 산소와 결합해 결과적으로 무게 증가가 된다

 

 

국제 프로토타입 킬로그램은 진공 속에서 보관되어 산화는 없지만

원자는 진동하고 오랜 시간 동안 진동운동으로 몇 개가 빠져나가 무게에 영향을 미칠 수 있다

​

진공 된 안의 무게는 똑같지만 무게를 잴 때는 진공 벨을 열고 재기에 엄청 미세한 차이가 존재한다

​

​

결국 진짜로 킬로그램들의 상태 자체가 바뀌었다는 것이었고

학자들은 백금-이리듐 합금도 불안정하다는 걸 알게 되었다

게다가 7개의 국제단위 중

​

mol

candela

ampere

kilogram

​

총 4개가 이 '킬로그램 쇳덩이의 무게에 의존하기 때문에 학계에선 고민을 했다

​

물론 정말 확인하기도 힘든 미세한 차이였지만

이 '단위' 의 약속은 정말 정확해야 한다

바뀌는 순간 여기에 관련된 모든 단위를 다시 재정해야 한다

 

 

1초라는 정의 세슘 진동수 9,192,631,770 처럼

무게를 제외한 나머지 SI 표준 단위들은 빛의 속도, 원자의 진동, 전자의 개수 등 불변하는 절대적인

자연의 성질을 통해 정의되는데

​

무게의 단위인 킬로그램만 자의적인 "어디 보관되어 있는 표준 킬로그램 원기의 무게"로 정의된다

​

​

​

​

​학자들은 인공물에 의존하지 않는 kg을 정의하기 위해 연구한다

 

과학자들이 생각한 방법은

어떠한 전위가 없는 순수 규소-28 로 1kg을 정확하게 만든 후에

플랑크 상수로 원자 개수를 알아내 정의 내리는 방법이었다

​

​

시간이 지나 무게가 달라져도 원자 개수를 알기에

똑같이 규소-28 로 원자 개수를 맞춰 만들면 불변할 것이다

 

 

그래서 탄생한게 이 12억짜리 순수 규소-28 구체다

​

 

플랑크 상수를 적용시키기 위해 이 구체는 정확한 1kg 에 완벽한 원이어야만 한다

이게 순수 규소-28의 원재료 값을 치더라도 12억이나 하는 이유이다

다듬고 연마하고 정말 많은 시간과 노력이 들어간다

​

현재 이 구체는 지구 크기로 키웠을 때 최고로 높은 곳과 낮은 곳이 14m 밖에 차이가 나지 않는다

​

조금만 더 완벽하게 구체를 공정한다

​

이제 지름 길이를 구해서 플랑크 상수 계산으로 원자의 개수를 알아냈다

​

​

플랑크 상수로 계산을 한 결과

​

​

​

1kg은

2.15 x 10^25 개의 규소-28 원자의 무게로 정의할 수 있다