킬로그램 원기 - 질량의 새로운 정의에서 중요한 역할을 하는 진공 기술

킬로그램 원기 - 질량의 새로운 정의에서 중요한 역할을 하는 진공 기술

7개의 기본 단위 중 킬로그램은 파리에 보관되어 있는 물체인 국제 킬로그램 원기 (International Prototype kilogramme)를 기준으로 실제로 존재하는 유일한 단위입니다. 이 단위는 곧 변경될 예정이며, 질량 단위에 대한 새로운 정의는 자연상수를 기준으로 결정될 것입니다. 이 실험의 필수 단계는 진공 상태에서 수행됩니다.
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파리에 보관된 IPK의 백금-이리듐 원기둥 표준기를 곧 대체하게 될 수정구체는 은색의 테니스 공 사이즈로 거의 완벽한 구형입니다. 과학자들은 이 구체를 고도로 정제된 실리콘으로 제작했으며, 무게가 킬로그램 원기와 정확히 일치합니다.

진공 상태의 라이터

실리콘 구체의 질량과 킬로그램 원기를 비교하려면 개체의 무게를 대기 상태와 진공 상태에서 측정합니다. 진공 상태의 측정은 공기 부력과 대류의 영향을 받지 않으므로 측정 결과가 대기압에서처럼 크게 변화하지 않습니다. 또한 공기 중의 작은 입자가 개체의 표면에 퇴적물을 형성할 수 있으므로 진공 상태의 개체가 조금 더 가볍습니다. 수정구체의 무게를 측정하면, 이러한 입자들이 약 10마이크로그램의 평균적인 차이를 만들 수 있습니다.

킬로그램을 정의하기 위한 공정한 공식을 만들려면 물리학자들이 구체의 실리콘 원자 개수를 결정해야 합니다. 매우 정밀한 구형과 완벽한 결정 구조로 인해 매우 정확한 계산이 가능합니다. 그러나 필요한 정밀성을 달성하기 위해서는 연구원들이 1억 개의 원자 중에 최대 1개의 원자만 잘못 계산하는 정확성이 필요할 수 있습니다. 이 실험이 성공하는 경우 자연상수, 즉 실리콘-28의 원자 무게에서 킬로(kilo)를 기준으로 하는 단위가 가능해집니다.

순도를 보장하는 진공

원자 개수를 정확하게 결정하려면 실리콘의 순도가 매우 높아야 합니다. 따라서 단결정 고체는 진공 상태에서 확대되어 완벽한 품질을 보장합니다. 이를 위해서 정제된 동질의 실리콘은 결정 융기 플랜트 도가니에서 융점보다 몇 도 높은 온도까지 가열됩니다. 시드 결정이라고 하는 매우 작은 고순도의 단결정이 용해 물질 속으로 들어갑니다. 액체 실리콘은 시드 결정에서 응고되며, 공정 중에 규칙적인 격자 구조를 계속 구축합니다. 천천히 회전하면서 위로 움직여 원통형 결정 기둥이 형성되며, 실리콘 구체가 여기에서 절단됩니다.

이렇게 제조되어 연마된 구체는 거의 완벽하게 형성됩니다. 구체의 어떤 부분에서도 직경이 100나노미터 이상 다르지 않습니다. 이러한 비율을 지구로 옮기려면 높이가 5미터 이상인 언덕이 없어야 합니다.

2년 간의 측정

체적을 결정하려면 실리콘 구체 표면에서 약 1백만 개의 지점이 광학적으로 정확하게 측정되어야 합니다. 결정 격자에 있는 개별 원자 간의 거리는 X선 간섭계를 사용하여 결정됩니다. 이 데이터를 알게 되면, 이론적으로 해당 체적에 맞는 원자 개수를 계산할 수 있습니다.

실리콘 구체 내부는 규칙적인 결정 격자로 이루어져 있으므로 이산화규소 층이 표면에 쌓입니다. 이것은 구체의 질량과 부피에 영향을 미치기 때문에 물리학자들이 그 두께를 정확하게 측정해야 합니다. 따라서 X선 형광 분석법과 광전자 분광법을 조합하여 구체를 분석하는데, 이는 진공 상태에서 이루어집니다. 구체는 약 10-8mbar의 진공 상태를 기준으로 초고도 진공 시스템에서 분석되므로, 광자와 전자가 공기 입자에 흡수되지 않고 아무런 방해 없이 감지기에 도달합니다.

연구원들은 약 2년 동안 결정 구체 측정을 계획했습니다. 거의 130년간 사용된 킬로그램 원기는 2018년 가을에 교체될 예정입니다.

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요즘 대부분의 측정 단위는 변하지 않은 자연상수를 사용하는 공식으로 결정됩니다. 예를 들어, 미터는 빛이 1/299,792,458초 동안 진공 상태에서 이동한 거리로 정의됩니다. 두 번째는 세슘 원자가 9,192,631,770번 진동하는 데 걸리는 시간입니다.

킬로그램 원기의 영향력 감소

대조적으로, 킬로그램은 여전히 실제 질량인 킬로그램 원기를 기준으로 하는 유일한 측정 단위입니다. 이 킬로그램 원기는 손상되거나 손실되면 대체할 수 없기 때문에 문제가 발생합니다. 또한 백금-이리듐 실린더는 시간이 지남에 따라 무게가 감소하고 있습니다. 실린더가 제작된 이래 50마이크로그램 정도 가벼워졌습니다. 이 사실은 전 세계의 측정 기관에 배포된 원기둥 사본과 비교하는 과정에서 발견되었습니다. 이러한 질량 손실의 원인은 명확하게 규명되지 않았지만, 한 가지 가능한 원인은 세척 절차일 수 있습니다. 자연상수를 기준으로 한 질량의 새로운 정의를 사용하게 되면, 이런 종류의 문제는 과거의 일이 될 것입니다. 필요한 경우, 정확한 1킬로 참조용 질량을 언제든지 재생산할 수 있습니다.


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