측정(measure)

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국제 도량형

  세계적으로 가장 많이 쓰이고 있는 도량형은 길이, 무게, 시간, 전류를 나타내는 단위로 미터(m), 킬로그램(kg), 초(S), 암페어(A)를 쓰고 있다. 이와 같은 단위를 쓰고 있는 가장 큰 이유는 단위 사이의 환산에 있어서 원자나 레이져가 지닌 불변의 성질을 이용하고 있기 때문이다.
  1670년 프랑스에서 처음으로 제안된 도량형은 두 가지 중요한 조건을 충족할 수 있도록 계획되었다.
    첫째, 각 단위는 몇 가지 안 되는 표준단위들로부터 유도될 수 있다.
    둘째, 큰 단위는 작은 단위에 10, 100, 1000 등을 곱해 얻을 수 있다.
  그러나 프랑스는 이 제도의 이용을 1799년까지 보류했으며, 1875년에 이르러서야 많은 나라들이 공식적으로 수용하기 시작하였다. 사실 1960년에 도입된 국제 단위계에 의해 조정되었던 단위들은 오늘날 과학적으로 대단히 정확한 방법으로 계속 보완되고 있다.

길이

국제 도량형의 바탕은 미터<meter>에 있다. 미터란 그리스어의 ‘재다’라는 뜻에서 유래한다. 원래 18세기 말 프랑스에서 지구자오선 길이의 1/4000만을 1 m로 할 것을 제창하고, 이를 토대로 백금미터원기가 만들어졌는데, 이 원기는 그 보관장소의 이름을 따서 고문서보존소 메트르 데 아르시브(Mé tre de Archives)라고 했다. 그러나 20세기에 들어서면서 과학적으로 고도의 정확성을 기할 수 있는 도량형의 체계를 마련하기 위하여 미터를 비롯하여 그에 따른 모든 측도를 새로이 조정해 왔다. 1960년에 국제도량형위원회<International Committee of Weights and Measures>에서 길이의 기준으로 크립톤(krypton)의 주황색 스펙트럼선(線)의 파장을 선택하고, 그 165만 763.73배를 1 m 로 하기로 결정하였다. 매우 작은 물체의 길이를 되도록 정확히 표기할 때에는 1m의 10억분의 1보다도 작은 나노미터를 쓰기도 한다. 또한 대단히 크거나 작은 양을 나타낼 때에는 특별히 거듭제곱을 사용하여 정의된 용어를 사용한다. 이를테면 1백만은 '메가 mega'(106 ,기호는 M), 1백만분의 1은 '마이크로 micro'(10－6, 기호는μ) 가 그것이다. 그래서 3메가톤 3Mt 은 3백만 톤과 같고 7마이크로초 7μs 는 1초의 1백만분의 7초와 같다. 한편 측정값으로 넓이는 두 길이를 곱하여 얻어지는 양이므로 그 단위는 제곱미터(m2)가 되며, 부피의 단위는 세 길이를 곱한 양이므로 그 단위는 세 제곱미터(m3)가 된다.

img3.gif  이 사진은 1875년 체결된 미터조약에 따라 길이의 기본단위로서 1 m를 정의하는 기준으로 만들어진 자[尺]인 미터원기<prototype meter>이다.
1889년 제1회 국제도량형총회(CGPM)에서 이 원기를 토대로 한 미터법이 확립되었다. 원기는 백금(Pt) 90 %, 이리듐(Ir) 10 %의 합금으로 만들어진 단면이 X자형 막대기에 1 m의 길이를 정한 눈금이 새겨져 있다. 이 원기는 파리에 있는 국제도량형국(BIPM)에 영구 보존하기로 되어 있으며, 미터조약에 가맹한 각국에도 그와 똑같이 만들어진 부원기를 두게 되었다.
 그러나 1960년 제11차 국제 도량형 총회에서 다시 미터의 기준을 바꾸었는데, 진공 중에서의 크립톤 86(86Kr)의 원자가 방사하는 주황색 스펙트럼선 파장의 165만 763.73배를 1 m로 정하고, 그것을 미터법의 기준으로 고쳐 정의하기로 결정함으로써 미터원기의 본래 의미는 없어지게 되었다. 크립론 86의 주황색 스펙트럼선의 진공 중에서의 파장은 605.78021nm이다.
  1983년 제17차 국제도량형총회에서 빛의 속도에 근거하여 미터의 기준을 새롭게 바꾸었다. "미터는 빛이 진공에서 299,792,458 분의 1초 동안 진행한 경로의 길이이다."로 정의를 세웠다. 우리나라에서는 국가길이표준기로 요오드안정화 헬륨-네온 레이저를 이용하며 그 진공 파장의 길이를 사용한다. 이를 이용할 경우, 미터는 요오드안정화 헬륨-네온 레이저 진공파장의 1 579 800.299 배와 같다.                                              (참고 : 네이버 백과사전)


무게
각 모서리의 길이가 1/10 m인 정육면체와 같은 부피의 4 ℃ 증류수의 질량을 1 kg 이라고 하였다. 국제도량형국의 여러 차례에 걸친 측정결과, 표준기압하에서 온도 4 ℃의 공기를 함유하지 않는 1 kg의 물의 부피는 1.000028 dm3로 되어 있다.
많은 사람들이 흔히 질량과 무게를 구별없이 같은 뜻으로 사용하지만, 엄밀성을 따지는 과학에서는 이 두 가지 용어의 뜻을 구별하고 있다. 즉,
질량<mass>은 물체가 우주의 어느 곳에 있든 상관없이 일정한 값을 유지한는 것으로 어떤 물체에 포함되어 있는 물질의 양이다.
질량은 킬로그램 kg (SI단위)의 단위를 쓰는 반면,
무게<weight>는 그 물체 주변에 작용하는 중력의 영향을 받아 지구나 달, 화성 등 측정하는 위치에 따라 변하는 양으로 뉴턴(N)이라은 단위를 쓴다.

    예를 들어 같은 물체를 지구상에 두었을 때와 달에 두었을 때를 비교해 보면, 물체의 질량에는 변함이 없으나, 달의 중력이 지구의 약 1/6이므로, 달에서의 무게는 지구에서의 무게의 약 1/6밖에 되지 않는다. 즉 같은 물체라도 중력에 차이가 있는 곳에 두면 무게가 달라진다. 따라서 지구상에서도 적도에서는 가볍고, 극(極)으로 갈수록 무게가 증가한다. 그러나, 실상 지구상의 중력변동이 그다지 크지 않으므로, 편의상 물체의 무게는 그 질량을 나타내는 것으로 취급해도 무방하다. 특히 무중력상태(무중량상태)라는 특수한 환경에서는 모든 물체는 무게를 가지지 않게 된다. 


킬로그램원기<prototype kilogram>
1889. CGPM  

1790년 파리과학학사원에 설치되었던 특별위원회에서 모서리가 1/10 m인 정육면체의 증류수의 질량을 기준으로 제안한 데서 비롯된 단위이며, 95년 4월 프랑스에서 공포되었던 기본질량단위는 이 1/1000인 그램이었다. 99년 자오선 측량과 물의 최대밀도의 측정결과에 입각하여 확정 국제킬로그램 원기가 백금으로 만들어지고, 이 원기를 채택하는 법령이 99년 12월 공포되었다. 이 원기는 보관장소의 이름을 따서 ‘고문서 보관소의 킬로그램(kilogramme des Archives)’이라고 하였다. 그러나 그때 이미 이론상의 값과 200∼300 mg의 차가 있는 것이 밝혀졌고, 1872년 제2차 국제회의에서는 새 단위계가 이 kilogramme des Archives로부터 출발함을 결의하고, 이에 입각해서 새로운 원기를 제작하기로 결정했다. 따라서, 이때 킬로그램은 물 1 dm3와는 직접 관계가 없게 되었다. 75년 5월 20일 미터조약이 성립하고 여러 개의 새로운 원기가 제작되었으며, 그 중에서 kⅢ이라는 기호가 붙은 것이 kilogramme des Archives에 가까웠으므로 국제킬로그램 원기로 뽑혀 89년의 제1차 국제도량형총회에서 채택하기로 결정되었다.
      - 두산세계대백과사전에서


시간
원시인들은 시간을 분류할 때 낮과 밤, 계절등으로만 나타내었다. 그러나 사람의 지능이 발달함에 따라 달력을 제작하기 시작하였다. 1년을 달이 차고 기우는 것에 기준을 두어 12개의 달로 분할하였고 서양인이나 이슬람 인, 헤브라이 인은 태양이나 달의 운동에 따른 달력을 제작하였다. 서양력은 로마 시대 이후 끊임없이 개정되었으며, 오늘날의 양력은 3200년마다 1일의 오차가 생기는 것으로 정착되었다.
  미터법에서의 시간의 단위는 초<second>(秒)로서, 1967년 국제도량형총회에서는 다음과 같은 정의를 채택하였다. ‘초는 원자번호 133인 세슘원자의 바닥상태에 있어서의 두 초미세구조준위 사이의 전이에 대응하는 복사의 91억 9263만 1770주기의 계속시간으로 한다.’ 이 정의에 의거한 초를 실현하는 장치를 세슘원자시계라고 한다. 액정시계의 단계를 지나 세슘원자의 진동수에 의한 시간의 측정은 170만 년만에 1초의 오차가 생가는 정도로 놀라운 정확성을 보이고 있다.


원자시계<atomic clock>

원자가 복사 또는 흡수하는 전자기 에너지의 주기가 일정한 것을 이용해서, 이 주기를 검출 또는 그것에 동기하게 제작된 정밀한 시계. 시간의 단위인 초는 바닥상태에 있는 세슘원자가 2개의 초미세구조 사이에서 전이할 때의 복사 또는 흡수하는 전자기에너지 주기의 91억 9263만 1770배라고 정의되어 있다. 이것을 실현하는 장치가 세슘원자시계로 국제원자시 설정의 기준이 된다.
      - 두산세계대백과사전에서


다른 단위들
미터법에는 별도의 단위들이 많다. 에너지의 단위인 주울(J), 온도를 나타내는 켈빈(K)과 섭씨(°C)의 눈금, 빛의 광도의 단위인 칸델라(cd)등이 있다. 한편 미터법의 많은 단위들 중에는 기본이 되는 단위들을 조합한 것들도 있다. 이를테면, 속도는 초당 미터(s/m)로, 주울은 초 제곱당 킬로그램제곱미터로 나타낸다. 이처럼, 미터법은 기본 단위들을 적절히 유도할 수 있지만  미국 등의 몇몇 나라는 지난 수백 년 동안 영국의 도량형에 익숙해져 있기 때문에 실생활에서는 아직도 이를 많이 쓰고 있다.

참고 : 교원 사이언스 가이드 5 (대수학,통계,측정,사고), 캐롤 보더먼