물리학에서의 단위
뜻
물리량(길이, 질량, 시간, 전류, 열역학 온도 물질량, 광도 등)의 크기의 기준을 말한다.
왜 필요한가
이 글을 보고 있는 너님과 필자의 키를 비교한다고 생각해보자. 가장 간단한 방법은 서로의 옆에 서서 키재기를 하는 것이다만 지금 필자는 시험 공부하느라 바쁘므로 너님을 찾아뵐 여유가 없다. 그래서 나는 작은 막대기를 준비하고 '필자의 키는 이 막대 2개 길이다'라는 메모와 너님한테 택배로 보내준다면 쉽게 비교할 수 있을 것이다. 그리고 이 작은 막대를 전 세계 사람들에게 나누어주자. 또 막대 하나의 길이에 이름을 붙여주자. 리브레라고 이름을 붙였다면 필자의 키는 2리브레가 된다. 이로써 전 세계 사람들의 키를 간단하고 쉽게 비교할 수 있게 된 것이다.젠장! 그리고 키뿐만이 아닌 온갖 길이에 관한 정보들을 리브레라는 '단위'로 쉽게 나타낼 수 있게 된다.
단위의 종류
기본 단위
길이(SI 단위: m)
- m(미터) : 1미터의 정의는 진공속에서 빛이 1초동안 나아간 거리의 299 792 458분의 1로 정의한다. 1초의 정의는 아래 시간 문단에 적혀 있다.
- 천문단위(AU): 질량은 무시할 수 있는 정도이지만 태양으로부터의 중력은 받고 있는 가상적인 입자가 태양 둘레를 완전한 원 궤도로 365.2568983일의 주기로 돌 때의 원 반지름 = 대략적인 지구에서부터 태양까지의 거리 = 1495억 9787만 700m = 1억 4959만 7870.7km
- 광년: 1광년 = 빛이 1년간 나아가는 거리 = 9460조 7304억 7258만 800m
- 파섹(pc): 1파섹 = 지구의 자전으로 인한 연주시차가 1초(″)가 될 때의 거리 = 약 3경 856조 8000억m = 3.26광년
- 해리: 항해로나 항공로에서 사용된다. 지구의 위도에서 1°를 60등분한 1″의 거리= 1852m (1970년에 정의됨)
질량(SI 단위: kg)
질량은 물체를 움직이기(가속하기) 어려운 정도를 나타내며 1kg은 국제 킬로그램 원기라는 저울추의 질량이다.
시간(SI 단위:s)
1초는 세슘 133 원자가 바닥 상태의 두 초미세 구조 준위 사이의 전이에 대응하는 복사주기의 91억 9236만 1770배의 지속 시간이다.
- s: 초
- m: 분 = 60s
전류(SI 단위: A)
전기가 흐를 때(물질 속의 자유전자의 방향이 가지런해질 때) 흐르는 전기의 양을 나타내는 말이다.
- A(암페어): 1A는 1C의 전기량을 가진 입자를 1초 동안 통하는 전류의 양을 말한다. 1A는 진공 속에 1m 간격으로 평행하게 놓인 두 모양의 도체를 각각 흐르고 이들 도체의 길이 1m당 2×10-7N의 힘을 서로 미치는 일정한 전류이다(계산상 두 전류는 무한하게 가늘고 길다고 가정한다).
열역학 온도(SI 단위: K)
분자가 얼마나 활발하게 움직이는지를 나타낸 단위이다.
- K(켈빈 온도): 분자의 운동에너지가 0이 될 때를 0K로, 물의 삼중점의 온도를 273.16K로 정의한다.
- °C(섭씨 온도): 켈빈 온도에서 273.15를 뺀 값이다. [1]
- °F(화씨 온도): 섭씨*9/5 + 32 로 정의한다.
- °R(란씨 온도): 켈빈에서 1.8을 곱한 값으로 화씨의 켈빈버전이다.
- °Ré(열씨 온도)
물질량(SI 단위: mol)
화학반응에서는 원자나 분자의 질량보다는 원자나 분자의 수가 더 중요해진다. 자, 생각해보자. 1g의 수소 원자와 1g의 탄소 원자가 있을 때 그 둘의 질량은 다르므로 더 가벼운 수소 원자의 수가 더 많다고 할 수 있다. 하지만 앞에서 말한 대로 무게의 비율이 아닌 개수의 비율로 결합을 하기 때문에 우리들이 편하게 계산하기 위해 만들어진 단위이다. 그래도 화학 계산은 귀찮다.
- mol(몰): 12g의 탄소 12 안에 존재하는 원자의 수(6.02×1023)이다.
광도(SI 단위: cd)
똑똑한 우리 위키러들은 이름만 봐도 알 수 있듯이 광원이 얼마나 밝은지(얼마만큼의 빛이 방출되는지)를 나타내는 정도이다.
- cd(칸델라): cd는 주파수 540THz의 단색광을 배출하고, 어떠한 정해진 방향에서 그 복사 강도가 683분의 1W/sr인 광원의 그 방향에서의 광도이다. 머리 좋은 위키러들이 알고 있듯이 sr은 스테라디안(입체각)이다.
조립 단위(유도 단위)
이건 또 무엇인가
넓이를 구하는 공식을 떠올려보자. 넓이 = 가로(길이) × 세로(길이)이다. 가로와 세로에 각각 1m를 대입해 보자. 수치는 1×1=1이 되고 단위는 m×m=m²가 된다. 이로써 1m²라는 올바른 값이 얻어진다. 여기서 m²는 m와 m끼리 곱해져서, 즉 조립되어 만들어진다. 이것처럼 단위들을 조립하여 만든 단위들을 조립 단위라고 한다.
조립단위의 종류
- 주파수(Hz: 헤르츠)
- 에너지(J: 줄)
- 전압(V: 볼트)
- 일률(W: 와트)
- 전하, 전기량(C: 쿨롱)
- 전기 용량(F: 패럿)
- 전기 저항(Ω: 옴)
- 전기 전도율(S: 지멘스)
- 자기력 선속(wb: 웨버)
- 자기력 선속 밀도(T: 테슬라)
- 힘(N: 뉴턴)
- 압력(Pa: 파스칼)
- 평면각(rad: 라디안)
- 입체각(sr: 스테라디안)
- 광선속(lm: 루멘)
- 조도(lx: 럭스
데마 씨아!!) - 효소 활성(kat: 캐탈)
- 방사능(Bq: 베크렐)
- 흡수선령(Gy: 그레이)
- 인체에 영향을 미치는 선량(Sv: 시버트)
각 단위들에 단순히 상수를 곱해 만든 단위들은 추가하는 의미가 없으므로 생략.
SI 접두어
어떤 물체의 길이가 100m, 어떤 물체의 무게가 0.1kg 이면 적거나 읽는데 별로 문제가 없지만. 1광년은 약 9460730000000000m 이고 지구의 무게는 약 5974200000000000000000000000g 이라는 표기법은 길이도 길뿐더러, 읽기도 힘들다.
이에 접두어를 붙여서 쉽고 짧게 쓸수 있다.
| 접두어 | 기호 | 크기 |
|---|---|---|
| 제타 | Z | 1021 |
| 엑사 | E | 1018 |
| 페타 | P | 1015 |
| 테라 | T | 1012 |
| 기가 | G | 109 |
| 메가 | M | 106 |
| 킬로 | k | 103 |
| 헥토 | h | 102 |
| 데카 | da | 101 |
| 데시 | d | 10-1 |
| 센티 | c | 10-2 |
| 밀리 | m | 10-3 |
| 마이크로 | μ | 10-6 |
| 나노 | n | 10-9 |
| 피코 | p | 10-12 |
예시
- 지구의 무게는 약 5.9742 제타톤
- 1광년은 약 9.46 페타미터
접두어 사용시 유의사항
- 접두어의 대소문자는 반드시 지켜야한다. 안그러면 전혀 다른값이 나오는 경우도 있다.
- 접두어를 두개를 동시에 쓰지 않는다. 1밀리킬로그램(=1g) 이나 100킬로센티미터(=1km) 라는 표현은 어색할뿐더러 불필요한 중복 표현이므로 하나만 쓴다.
- 질량 표기에서는 1000톤이 넘어가는 물체에는 그램에 접두어를 붙이는 것보다 톤에 접두어를 붙이는 경우가 많다.
SI 단위계가 아닌 단위들
여담
미합중국, 라이베리아, 미얀마에서는 SI 단위를 쓰지 않는다.