호기심 찾기

 먼저 한국표준과학연구원 홈페이지 '질문과 답변란'에 문의한 저의 질문입니다. 

 다름이 아니라 시간의 표준에 대해서 궁굼한 것이 있어서요. 현재 시간의 기본 단위는 1초입니다. 1초는 세슘 원자(133-55Cs)에서 방출하는 특정한 파장의 빛이 9,192,631,770 번 진동하는 데 걸리는 시간이라고 정의하고 있습니다. 여기서 질문입니다. 

 1. 수 많은 원자 중 왜 하필 세슘인가요? 세슘 원자의 어떤 특성때문에 제13차 CGPM(1967) 결의사항 1에서 세슘을 선택하게 된 것인가요? 

 2. 보통 원자에서 나오는 빛의 진동수를 어떤 기구로 어떤 방법으로 측정하는가요? 프리즘 통과시켜서 스펙트럼 측정하는 것과 그 방식이 비슷한 것인가요? 

 그 과정이 꽤 공학적이고 복잡할 것으로 판단합니다. 구체적이라면 더욱 좋겠지만 쉽지 않다면 간략하게라도 알려주세요. 주요포털에서 관련된 내용을 검색했는데 확인할 수 없었습니다. 답변해주시면 제가 잘 정리해서 주요 포털에 기록해 놓겠습니다. 진심으로 감사합니다. 꼭 답변 부탁드립니다.

 이하 내용은 한국표준과학연구원의 답변입니다. 

 질문하신 내용에 대한 답변은 간단하지 않습니다. 먼저 올해의 과학교사 연수에 참가하실 것을 권해드립니다. 

 1. << 초의 정의 >> 이는 초의 정의를 선택한 1967년의 과학수준, 역사적 배경과 무관하지 않습니다. 최초의 원자시계는 암모니아 메이저이지만, 이 시계의 정확도는 그리 높지 않았고, 그 당시 가장 정확한 원자시계는 세슘원자시계인 점이 하나의 원인이 됩니다. 그리고 세슘원자는 가전자가 1 개인 알칼리족 원자로 에너지 준위 구조가 비교적 간단하고, 바닥상태의 두 초미세준위 사이의 전이의 주파수 및 특성이 원자시계로 동작하기 좋은 장점 등도 선택의 이유가 될 수 있습니다. 현대의 과학기술 수준에서 판단할때 세슘원자 보다 다른 원자나 이온이 더 좋을 수 있습니다만, 아직 초의 정의가 세슘원자에서 다른 원자로 바뀌지 않는 것은 여러가지 이유가 있습니다. 이는 첨부한 파일을 참조하시기 바랍니다. 

 2. << 주파수 측정>> 이 질문에 대한 답변은 두가지로 나누어야 합니다. 원자의 복사선을 어떻게 측정하여 표준주파수를 만드는 것인가에 대한 답변과 표준주파수를 이용하여 빛 등의 주파수를 어떻게 측정하는가 입니다. 모든 주파수의 기준은 세슘원자의 바닥상태에 있는두 초미세준위 사이의 전이에 의해 발생(또는 흡수)하는 복사선의 주파수입니다. 이 전이에 의한 주파수를 9 192 631 770 Hz로 국제적으로 약속되어 있습니다. 다른 주파수는 이 주파수와 비교하여 주파수 값을 결정하게 됩니다. 세슘원자의 복사선의 주파수는 어떻게 만들어지고, 기준(표준)으로 사용할 수 있는가에 대해서는 첨부 파일을 참조하시기 바랍니다. 그 다음 단계로 여러 원자나 분자의 복사선 주파수을 세슘원자의 복사선 주파수와 비교하여 정확히 측정합니다. 그리고 이렇게 측정된 원자나 분자의 주파수들을 표준주파수 사용할 수 있도록 국제적으로 그 값을 결정하여 고시합니다. 일반적인 주파수 측정은 세슘원자의 복사선 주파수 또는 국제적으로 고시된 원자나 분자의 복사선 주파수와 비교하여 측정합니다. 말씀하신 분광기를 이용하여 스펙트럼을 측정하는 것도 하나의 방법입니다. 분광기를 이용하여 측정된 스펙트럼의 각각의 주파수를 정확히 알기 위해서는 먼저 분광기를 교정하여야 합니다. 이는 표준주파수로 알려진 원자나 분자의 복사선을 분광기로 측정합니다. 그러면 분광기에 의한 스펙트럼의 위치에 따른 주파수 값을 알게 됩니다. 그 다음 측정하고자 하는 빛의 스펙드럼을 분광기로 측정하면 됩니다. 다시 한번 더 말씀드지만, 간단히 설명할 수 있는 내용이 아닙니다. 더 자세한 사항을 위해서는 다음 번의 과학교사 연수에 참석시는 것을 권해드립니다. 

아래 첨부파일을 두 개 올렸습니다. 그 내용이 쫌 공학적이지만 관심있으신 분들은 읽어보길 권장합니다. 

시간주파수 측정표준과 첨단기술.pdf

광시계.pdf

질문에 따라 정리하자면,

 1. 1초의 정의를 세슘 원자 시계로 정한 이유는 여러 가지가 있지만 그 당시 가장 오차없이 측정할 수 있었던 원자였다는 점. 그 외의 여러 가지 이유가 있지만 간단히 설명할 수 없다는 것.

 2. 세슘 원자에서 나오는 빛의 주파수인 '9,192,631,770 진동하는데 걸리는 시간'을 국제적으로 약속하였고 이것을 기준으로 나머지 주파수를 결정한다는 것. 마치 거리 단위 1m를 빛의 속도로 약속하는 것과 그 원리가 같다.

 매번 느끼는 거지만 우리 주변엔 고수님들이 참으로 많다. ㅎㅎ