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 HOME > 메카백과 > 메카편람 |
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 제목 |
질량의 표준 |
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| 분류 |
기계요소 > 스프링 |
작성일 |
2006.06.19 |
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| 작성자 |
admin   |
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1.1 국제 킬로그램원기의 탄생배경
1795년 질량의 기본단위는 gram 즉, 0℃때 물 1 cm에 해당하는질량이었으나 1g은 질량이 너무 작어 높은 정밀도를 얻기가 어렵다고 판단되어 1798년 킬로그램 즉, 4℃때 물 1 dm3에 해당하는 질량으로 바뀌었으며 이에 해당하는 원기를 만든것이 1799년 백금원기 (Kilogram of the Archives라고 부름)이다.
그후 원기의 물리적 안정성이 높은 새로운 재료가 논의 되었으며 이에 따라 1878 영국 런던에 있는 Johnson Matthey and Co.에서 새로운 원기용 재료로 Pt90%-Ir10% 합금을 재조하고 킬로그램 cylinder 3개 (KⅠ, KⅡ, KⅢ)를 만들어 프랑스 파리에서 표면연마 및 질량조정을 하였다. 이 가운데 KⅢ가 Kilogram of the Archives 와 가장 가까운 질량으로 확인되어 1883년 BIPM에서 KⅢ가 현재의 국제 킬로그램 원기로 선정되었고 1889년 제1차 CGPM에서 비준되었다.
현재 국제 단위계의 7개 기본 단위 가운데 길이, 시간, 전류, 온도, 광도의 표준은 자연현상의 상수를 기반으로 정의되어 있을 뿐 아니라 실험기구에 의하여 현시되고 있다. 그러나 질량의 표준만은 아직도 가공물체인 국제킬로그램원기에 의하여 1 kg이 정의되고 또 이 원기에 의하여 현시되여 있다. 1901년 제3차 국제도량형총회 (CGPM)에서 선포된 질량표준의 정의에 의하면 "킬로그램은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과 같다" 라고 되어 있다. 킬로그램국제원기는 밀도가 약 21.5 g/cm3인 백금90%-이리듐10% 합금으로 만들어진 직경과 높이가 각각 39 mm인 원기둥(cylinder)이다. 현재 이 국제원기는 프랑스 파리에 있는 국제도량형국(BIPM)에 보관되어 있다.
1.2 국가의 원기
1882년 BIPM에서는 국제원기가 결정된 후 BIPM 자체 및 각 국가에 보급하기 위한 질량표준 보급용 킬로그램원기를 국제원기와 똑 같은 규격(Pt90%-Ir10% 합금의 원기둥모양으로 직경=높이=39 mm임)으로 40개를 만들었다. 이 원기들은 1884년 밀도가 결정되었고 표면연마후 질량이 약 ±1 mg 이내로 조정 되었으며 원기둥의 표면에 원기의 국제적 일련 고유번호를 No.1부터 No.40 까지 숫자만 가볍게 세겨넣어 원기를 구별하였다. 1929∼1974년에는 23개의 킬로그램원기 (No.41∼No.63)가 더 제작 되었다. 최근에는 single crystal diamond tool을 이용한 새로운 가공공정에 의하여 No.64∼No.75(1994년 현재 최종번호)의 원기가 만들어져 보급 되었다. 지금까지 만들어진 국가원기들 가운데 한국의 원기는 초창기 때의 No.39와 최신의 No.72이다.
한국에서는 국제원기와 같은 규격으로 만들어진 킬로그램국가원기 No.72(그림1.1)를 주원기로 그리고 No.39를 부원기로 정하여 질량의 국가표준을 유지하고 있으며 스텐레스강으로 만든 여러 등급의 킬로그램 표준분동을 통하여 질량표준을 보급하고 있다. 따라서 분동은 질량표준보급의 핵심 매개체이며 저울은 분동의 질량을 비교해 주는 역활을 한다.
-자연현상을 이용한 질량표준 정의의 실현연구 현황
최근 자연현상을 이용한 질량표준정의의 실현을 위한 연구가 주목을 받고있으며 이분야의 과학자들은 노벨물리학상의 꿈을앉고 연구에 매진하고 있는 예를 살펴보자.
국제도량형총회(CGPM)의 1995년 권고에서 표준연구소들은 킬로그램원기 질량안정성의 monitor 기술을 계속 발전시키고 이러한 과정에서 기초적 혹은 원자적 상수들을 바탕으로 하는 질량표준의 새로운 정의로의 길을 열도록 권고한다. 결국 이 권고는 1999년에도 다시 결의되어 그의 중요성을 강조하고 있다. 현재 질량표준을 자연현상으로 실현하려는 연구는 프랑크상수나 아보가드로상수를 이용하는 방법이 두각을 나타내고 있으며 그외에도 이온축적방법, 전압저울, 자기부상 등의 방법을 이용하여 연구하고 있다.
1. Planck 상수측정 watt balance
1)힘측정
mg = I∫Bdl
m : 질량
g : 중력가속도
I : 전류
B : 자장
l : 코일 도선의 길이
* Josephson Quantum hall effect
I = U/R
= (nh/2e)f(ie^2/h)r
= kef
2) 속도측정
U = v∫Bdl
U : 유도전압
v : coil moving velocity
1), 2)로부터 질량은 프랑크상수의 배수로 나타난다.
m = kff'(1/gv)h
ff' : moving coil mode 와 weighing mode때의 조셉슨장치의 마이크로파 주파수
k : ff'의 integer step 비율
2.아보가드로상수측정
실리콘 단결정체를 이용하여 아보가드로상수를 측정한다.
NA = nM(Si) / (m/v)(a3)
NA = 6.0221363 x 1023mol-1
n : 단위셀에 들어 있는 원자의 수
M : 몰질량
m : 실리콘 물체의 질량
v : 실리콘 물체의 부피
a : 실리콘 단결정의 단위셀의 부피
1 kg = NA X (mc12 /0.012 ) |
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| <발췌: 한국표준과학연구원> |
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