Atom saatı: Peyk və naviqasiya sistemlərinin vaxtını ölçmək üçün cihaz.

Keçən il, 2012-ci il, bəşəriyyətin vaxtı mümkün qədər dəqiq ölçmək üçün atom saatlarından istifadə etmək qərarına gəlməsindən qırx beş il keçdi. 1967-ci ildə Beynəlxalq vaxt kateqoriyası astronomik şkalalarla müəyyən olunmağı dayandırdı - onlar sezium tezlik standartı ilə əvəz olundu. İndi məşhur adı - atom saatını alan o idi. Onların müəyyən etməyə imkan verdiyi dəqiq vaxt hər üç milyon ildə bir saniyəlik əhəmiyyətsiz bir səhvə malikdir ki, bu da onları dünyanın istənilən küncündə vaxt etalon kimi istifadə etməyə imkan verir.

Bir az tarix

Zamanın ultradəqiq ölçülməsi üçün atom vibrasiyasından istifadə ideyası ilk dəfə 1879-cu ildə ingilis fiziki William Tomson tərəfindən ifadə edilmişdir. Bu alim hidrogenin rezonator atomlarının emitenti kimi istifadəsini təklif etdi. İdeyanı həyata keçirmək üçün ilk cəhdlər yalnız 40-cı illərdə edildi. iyirminci əsr. Dünyada ilk işləyən atom saatı 1955-ci ildə Böyük Britaniyada peyda olub. Onların yaradıcısı ingilis eksperimental fizik Dr.Luis Essen idi. Bu saatlar sezium-133 atomlarının titrəyişləri əsasında işləyirdi və onların sayəsində elm adamları nəhayət vaxtı əvvəlkindən çox daha dəqiqliklə ölçə bildilər. Essenin ilk cihazı hər yüz ildə bir saniyədən çox olmayan bir səhvə yol verdi, lakin sonradan dəfələrlə artdı və saniyədə səhv yalnız 2-3 yüz milyon il ərzində toplana bilər.

Atom saatı: iş prinsipi

Bu ağıllı “cihaz” necə işləyir? Atom saatları rezonans tezlik generatoru kimi kvant səviyyəsində molekul və ya atomlardan istifadə edir. “atom nüvəsi - elektronlar” sistemi ilə bir neçə diskret enerji səviyyələri arasında əlaqə yaradır. Əgər belə bir sistemə ciddi şəkildə müəyyən edilmiş tezliklə təsir edilirsə, bu sistem ondan keçəcək aşağı səviyyə yüksəklərə. Bu da mümkündür əks proses: bir atomun daha çoxdan keçidi yüksək səviyyə aşağı, enerji emissiyası ilə müşayiət olunur. Bu hadisələri idarə etmək olar və bütün enerji sıçrayışlarını bir salınım dövrəsi (həmçinin atom osilatoru da deyilir) yaratmaqla qeyd etmək olar. Onun rezonans tezliyi Plank sabitinə bölünən qonşu atom keçid səviyyələri arasındakı enerji fərqinə uyğun olacaq.

Belə bir salınım dövrəsi mexaniki və astronomik sələfləri ilə müqayisədə danılmaz üstünlüklərə malikdir. Belə bir atom osilatoru üçün hər hansı bir maddənin atomlarının rezonans tezliyi eyni olacaq, bunu sarkaçlar və pyezokristallar haqqında demək olmaz. Bundan əlavə, atomlar zamanla xassələrini dəyişmir və köhnəlmir. Buna görə də, atom saatları son dərəcə dəqiq və praktiki olaraq əbədi xronometrlərdir.

Dəqiq vaxt və müasir texnologiyalar

Telekommunikasiya şəbəkələri, peyk rabitəsi, GPS, NTP serverləri, birjada elektron əməliyyatlar, internet auksionlar, internet vasitəsilə biletlərin alınması proseduru - bütün bunlar və bir çox başqa hadisələr həyatımızda çoxdan möhkəm şəkildə qurulub. Ancaq bəşəriyyət atom saatlarını icad etməsəydi, bütün bunlar sadəcə baş verməzdi. Hər hansı səhvləri, gecikmələri və gecikmələri minimuma endirməyə imkan verən dəqiq vaxt, sinxronizasiya insana heç vaxt çox olmayan bu əvəzolunmaz əvəzolunmaz resursdan maksimum istifadə etməyə imkan verir.

Elmi dünyada bir sensasiya yayıldı - vaxt bizim Kainatdan buxarlanır! Hələlik bu, yalnız ispan astrofiziklərinin fərziyyəsidir. Amma Yerdə və kosmosda zaman axınının fərqli olması alimlər tərəfindən artıq sübut olunub. Zaman cazibə qüvvəsinin təsiri altında daha yavaş axır, planetdən uzaqlaşdıqca sürətlənir. Yer üzündəki və sinxronizasiya vəzifəsi kosmik vaxt hidrogen tezliyi standartlarını yerinə yetirirlər, bunlara "atom saatları" da deyilir.

İlk atom vaxtı astronavtikanın yaranması ilə birlikdə meydana çıxdı, atom saatları 20-ci illərin ortalarında meydana çıxdı. İndi atom saatları gündəlik bir şeyə çevrilib, hər birimiz onlardan hər gün istifadə edirik: rəqəmsal rabitə, QLONASS, naviqasiya və nəqliyyat onların köməyi ilə işləyir.

Sahiblər mobil telefonlar onlar çətin ki, kosmosda ciddi vaxt sinxronizasiyası üçün hansı mürəkkəb iş aparıldığını düşünmürlər və bununla belə, söhbət saniyənin milyonda bir hissəsindən gedir.

Dəqiq vaxt standartı Moskva vilayətində saxlanılır Elmi İnstitutu fiziki-texniki və radiotexniki ölçmələr. Dünyada 450 belə saat var.

Rusiya və ABŞ atom saatlarında monopoliyaya malikdir, lakin ABŞ-da saatlar ətraf mühitə çox zərərli olan radioaktiv metal olan sezium, Rusiyada isə daha təhlükəsiz, davamlı material olan hidrogen əsasında işləyir.

Bu saatın siferbatı və ya əlləri yoxdur: o, nadir və qiymətli metallardan ibarət böyük çəlləyə bənzəyir, ən qabaqcıl texnologiyalar - yüksək dəqiqlikli ölçmə cihazları və atom standartlarına malik avadanlıqlarla doldurulur. Onların yaradılması prosesi çox uzun, mürəkkəbdir və mütləq sterillik şəraitində baş verir.

Artıq 4 ildir ki, Rusiya peykində quraşdırılan saat qaranlıq enerjini öyrənir. İnsan standartlarına görə, onlar milyonlarla il ərzində dəqiqliyini 1 saniyə itirirlər.

Tezliklə Spektr-M-də atom saatları quraşdırılacaq - ulduzların və ekzoplanetlərin necə əmələ gəldiyini görəcək və kənardan kənara baxacaq kosmik rəsədxana qara dəlik Qalaktikamızın mərkəzində. Alimlərin fikrincə, dəhşətli cazibə qüvvəsi səbəbindən burada zaman o qədər yavaş axır ki, az qala dayanır.

tvroskosmos

Hansı “saat istehsalçıları” bu son dərəcə dəqiq mexanizmi icad edib təkmilləşdiriblər? Onu əvəz edən varmı? Gəlin bunu anlamağa çalışaq.

2012-ci ildə atom timekeeping qırx beşinci ildönümünü qeyd edəcək. 1967-ci ildə Beynəlxalq Vahidlər Sistemində zaman kateqoriyası astronomik şkala ilə deyil, sezium tezlik standartı ilə müəyyən edilməyə başlandı. Bunu adi insanlar atom saatı adlandırırlar.

Atom osilatorlarının iş prinsipi nədir? Bu “cihazlar” rezonans tezliyi mənbəyi kimi atomların və ya molekulların kvant enerji səviyyələrindən istifadə edir. Kvant mexanikası bir neçə diskret enerji səviyyəsini “atom nüvəsi - elektronlar” sistemi ilə əlaqələndirir. Müəyyən bir tezlikdə olan bir elektromaqnit sahəsi bu sistemin aşağı səviyyədən daha yüksək səviyyəyə keçidinə səbəb ola bilər. Bunun əksi də mümkündür: atom enerji yaymaqla yüksək enerji səviyyəsindən aşağı səviyyəyə keçə bilər. Hər iki fenomen idarə oluna bilər və bu enerji səviyyələri arasında atlamalar qeydə alına bilər və bununla da salınım dövrəsinə bənzəyir. Bu dövrənin rezonans tezliyi Plank sabitinə bölünən iki keçid səviyyəsi arasındakı enerji fərqinə bərabər olacaqdır.

Yaranan atom osilatoru astronomik və mexaniki sələfləri ilə müqayisədə şübhəsiz üstünlüklərə malikdir. Osilator üçün seçilmiş maddənin bütün atomlarının rezonans tezliyi sarkaçlardan və pyezokristallardan fərqli olaraq eyni olacaq. Bundan əlavə, atomlar zamanla köhnəlmir və xüsusiyyətlərini dəyişdirmir. Faktiki olaraq əbədi və son dərəcə dəqiq xronometr üçün idealdır.

İlk dəfə olaraq atomlarda səviyyələrarası enerji keçidlərindən tezlik standartı kimi istifadə etmək imkanı hələ 1879-cu ildə Lord Kelvin kimi tanınan İngilis fiziki Uilyam Tomson tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir. O, rezonator atomlarının mənbəyi kimi hidrogendən istifadə etməyi təklif etdi. Bununla belə, onun tədqiqatları daha çox nəzəri xarakter daşıyırdı. O dövrdə elm hələ atom xronometrini hazırlamağa hazır deyildi.

Lord Kelvinin ideyasının həyata keçməsi üçün təxminən yüz il lazım oldu. Uzun müddət idi, amma iş asan deyildi. Atomları ideal sarkaçlara çevirmək praktikada nəzəriyyədən daha çətin olduğu ortaya çıxdı. Çətinlik sözdə rezonans genişliyi ilə döyüşdə idi - atomlar səviyyədən səviyyəyə keçdikcə enerjinin udulma və emissiya tezliyində kiçik bir dalğalanma. Rezonans tezliyinin rezonans genişliyinə nisbəti atom osilatorunun keyfiyyətini müəyyənləşdirir. Aydındır ki, rezonans eninin dəyəri nə qədər böyük olarsa, atom sarkacının keyfiyyəti bir o qədər aşağı olar. Təəssüf ki, keyfiyyəti yaxşılaşdırmaq üçün rezonans tezliyini artırmaq mümkün deyil. Hər bir xüsusi maddənin atomları üçün sabitdir. Lakin rezonans genişliyi atomların müşahidə müddətini artırmaqla azaldıla bilər.

Texniki cəhətdən buna aşağıdakı şəkildə nail olmaq olar: xarici, məsələn, kvars, osilator vaxtaşırı olaraq donor maddənin atomlarının enerji səviyyələrindən keçməsinə səbəb olan elektromaqnit şüalanma yaratsın. Bu halda, atom xronoqraf tənzimləyicisinin vəzifəsi bu kvars osilatorunun tezliyini atomların səviyyələrarası keçidinin rezonans tezliyinə mümkün qədər yaxınlaşdırmaqdır. Bu, atom titrəyişlərinin və yaradılmasının kifayət qədər uzun müddət müşahidə olunduğu halda mümkün olur rəy, kvars tezliyini tənzimləyən.

Düzdür, atom xronoqrafında rezonans genişliyinin azaldılması probleminə əlavə olaraq bir çox başqa problemlər də var. Bu, Doppler effektidir - atomların hərəkəti və atomların qarşılıqlı toqquşması nəticəsində rezonans tezliyində dəyişiklik, planlaşdırılmamış enerji keçidlərinə və hətta qaranlıq maddənin yayılan enerjisinin təsiri.

İlk dəfə cəhd praktik həyata keçirilməsi atom saatı keçən əsrin otuzuncu illərində gələcəyin rəhbərliyi altında Kolumbiya Universitetinin alimləri tərəfindən ərsəyə gətirilmişdir. Nobel mükafatçısı IŞİD Rabi Dr. Rabi, sarkaç atomlarının mənbəyi kimi sezium 133 Cs izotopundan istifadə etməyi təklif etdi. Təəssüf ki, NBS-i çox maraqlandıran Rabinin işi İkinci Dünya Müharibəsi ilə yarımçıq qaldı.

Tamamlandıqdan sonra atom xronoqrafının tətbiqində liderlik NBS əməkdaşı Harold Lyons-a keçdi. Onun atom osilatoru ammonyak üzərində işləyirdi və kvars rezonatorlarının ən yaxşı nümunələri ilə müqayisə edilə bilən bir səhv verdi. 1949-cu ildə ammonyak atom saatı geniş ictimaiyyətə nümayiş etdirildi. Kifayət qədər orta dəqiqliyə baxmayaraq, onlar atom xronoqraflarının gələcək nəsillərinin əsas prinsiplərini həyata keçirdilər.

Louis Essen tərəfindən əldə edilən sezium atom saatının prototipi yalnız 340 Hertz rezonans genişliyinə malik olmaqla 1 * 10 -9 dəqiqliyi təmin etdi.

Bir az sonra Harvard Universitetinin professoru Norman Ramsey Doppler effektinin ölçmələrin dəqiqliyinə təsirini azaldaraq Isidor Rabinin fikirlərini təkmilləşdirdi. O, bir uzun yüksək tezlikli impuls həyəcan verici atomların əvəzinə, bir-birindən müəyyən məsafədə dalğa ötürücüsünün qollarına göndərilən iki qısa atomdan istifadə etməyi təklif etdi. Bu, rezonans genişliyini kəskin şəkildə azaltmağa imkan verdi və faktiki olaraq kvars əcdadlarından daha yüksək dəqiqlik sırası olan atom osilatorlarını yaratmağa imkan verdi.

Ötən əsrin 50-ci illərində Norman Ramsinin təklif etdiyi sxem əsasında Milli Fizika Laboratoriyasında (Böyük Britaniya) onun əməkdaşı Lui Essen əvvəllər Rabinin təklif etdiyi sezium 133 Cs izotopuna əsaslanan atom osilatoru üzərində işləyirdi. Sezium təsadüfən seçilməyib.

Sezium-133 izotopunun atomlarının yüksək incə keçid səviyyələrinin sxemi

Qələvi metallar qrupuna aid olan sezium atomları enerji səviyyələri arasında sıçrayış etmək üçün çox asanlıqla həyəcanlanırlar. Məsələn, bir işıq şüası seziumun atom quruluşundan elektron axını asanlıqla kəsə bilər. Məhz bu xüsusiyyətinə görə seziumdan fotodetektorlarda geniş istifadə olunur.

Ramsey dalğa qurğusuna əsaslanan klassik sezium osilatorunun dizaynı

İlk rəsmi sezium tezlik standartı NBS-1

NBS-1-in nəsli - NIST-7 osilatoru sezium atomlarının şüasının lazerlə vurulmasından istifadə etdi.

Essen prototipinin əsl standarta çevrilməsi üçün daha çox vaxt lazım idi dörd il. Axı, atom saatlarının dəqiq tənzimlənməsi yalnız mövcud efemer zaman vahidləri ilə müqayisədə mümkün idi. Dörd il ərzində ABŞ Hərbi Dəniz Qüvvələri Rəsədxanasından William Markowitz tərəfindən ixtira edilmiş dəqiq Ay kamerasından istifadə edərək Ayın Yer ətrafında fırlanmasını müşahidə edərək atom osilatoru kalibrləndi.

Atom saatlarının Ay efemerinə "tənzimlənməsi" 1955-ci ildən 1958-ci ilə qədər həyata keçirilmişdir, bundan sonra cihaz NBS tərəfindən tezlik standartı kimi rəsmi olaraq tanınıb. Üstəlik, sezium atom saatlarının görünməmiş dəqiqliyi NBS-ni SI standartında vaxt vahidini dəyişməyə sövq etdi. 1958-ci ildən ikincisi rəsmi olaraq "sezium-133 izotopunun bir atomunun standart vəziyyətinin iki hiper incə səviyyəsi arasında keçidə uyğun gələn 9.192.631.770 radiasiya dövrünün müddəti" kimi qəbul edilmişdir.

Louis Essenin cihazı NBS-1 adlandırıldı və ilk sezium tezlik standartı hesab edildi.

Sonrakı otuz il ərzində NBS-1-in altı modifikasiyası hazırlanmışdır, onlardan sonuncusu 1993-cü ildə maqnitləri lazer tələləri ilə əvəz etməklə yaradılmış NIST-7 yalnız altmış rezonans genişliyi ilə 5 * 10 -15 dəqiqliyi təmin edir. - iki Hertz.

NBS tərəfindən istifadə edilən sezium tezlik standartlarının xüsusiyyətlərinin müqayisə cədvəli

NBS cihazları stasionar stendlərdir ki, bu da onları praktiki olaraq istifadə olunan osilatorlardan daha çox standartlar kimi təsnif etməyə imkan verir. Lakin sırf praktik məqsədlər üçün Hewlett-Packard sezium tezlik standartının xeyrinə işləyirdi. 1964-cü ildə gələcək kompüter nəhəngi sezium tezlik standartının kompakt versiyasını - HP 5060A cihazını yaratdı.

NBS standartlarından istifadə etməklə kalibrlənmiş HP 5060 tezlik standartları tipik radio avadanlığı rafına uyğun gəlir və kommersiya uğuru qazanır. Məhz Hewlett-Packard tərəfindən müəyyən edilmiş sezium tezliyi standartı sayəsində atom saatlarının görünməmiş dəqiqliyi geniş yayıldı.

Hewlett-Packard 5060A.

Nəticədə, peyk televiziyası və rabitə, qlobal naviqasiya sistemləri və informasiya şəbəkəsinin vaxt sinxronizasiyası xidmətləri mümkün oldu. Sənayeləşdirilmiş atom xronoqraf texnologiyası üçün çoxlu tətbiqlər olmuşdur. Eyni zamanda, Hewlett-Packard bununla da dayanmadı və sezium standartlarının keyfiyyətini, onların çəkisini və ölçülərini daim təkmilləşdirir.

Hewlett-Packard atom saatları ailəsi

2005-ci ildə Hewlett-Packard-ın atom saatı bölməsi Simmetricom-a satıldı.

Təbiətdə ehtiyatları çox məhdud olan, müxtəlif texnoloji sahələrdə ona tələbat son dərəcə yüksək olan seziumla yanaşı, donor maddə kimi xassələri seziuma çox yaxın olan rubidiumdan da istifadə olunurdu.

Deyəsən, mövcud sxem atom saatları mükəmməlliyə gətirildi. Bu arada, onun zəhlətökən bir çatışmazlığı var idi, onun aradan qaldırılması sezium fəvvarələri adlanan ikinci nəsil sezium tezlik standartlarında mümkün oldu.

Zaman fəvvarələri və optik bəkməz

Sezium atomlarının vəziyyətinin lazerlə aşkarlanmasından istifadə edən NIST-7 atom xronometrinin ən yüksək dəqiqliyinə baxmayaraq, onun dizaynı sezium tezlik standartlarının ilk versiyalarının dizaynlarından əsaslı şəkildə fərqlənmir.

Bütün bu sxemlərin konstruktiv çatışmazlığı ondan ibarətdir ki, dalğa bələdçisində hərəkət edən sezium atomları şüasının yayılma sürətinə nəzarət etmək prinsipcə mümkün deyil. Və bu, sezium atomlarının otaq temperaturunda hərəkət sürətinin saniyədə yüz metr olmasına baxmayaraq. Çox tez.

Buna görə sezium standartlarının bütün dəyişiklikləri iki nöqtədə sürətli sezium atomlarına təsir göstərməyə vaxtı olan dalğa ötürücüsünün ölçüsü ilə bu təsirin nəticələrinin aşkarlanmasının dəqiqliyi arasında tarazlıq axtarışıdır. Dalğa ötürücü nə qədər kiçik olsa, eyni atomlara təsir edən ardıcıl elektromaqnit impulsları etmək bir o qədər çətindir.

Sezium atomlarının sürətini azaltmağın bir yolunu tapsaq nə olacaq? Keçən əsrin qırxıncı illərinin sonlarında cazibə qüvvəsinin atomların davranışına təsirini tədqiq edən MIT tələbəsi Jerold Zacharius bu fikirlə məşğul idi. Daha sonra, Sezium tezlik standartı Atomikronun bir variantının hazırlanmasında iştirak edən Zaxarius sezium fəvvarəsi ideyasını təklif etdi - sezium atomlarının sürətini saniyədə bir santimetrə qədər azaltmaq və iki qollu dalğa ötürücüsünü aradan qaldırmaq üçün bir üsul Ənənəvi atom osilatorları.

Zaxarinin fikri sadə idi. Bir osilatorun içərisində sezium atomlarını şaquli olaraq atəşə tutsanız nə edərdiniz? Sonra eyni atomlar detektordan iki dəfə keçəcək: bir dəfə yuxarı qalxarkən, ikincisi isə cazibə qüvvəsinin təsiri ilə aşağıya doğru qaçacaqlar. Bu halda, atomların aşağıya doğru hərəkəti onların uçuşundan əhəmiyyətli dərəcədə yavaş olacaq, çünki fəvvarədə səyahət zamanı onlar enerji itirəcəklər. Təəssüf ki, keçən əsrin əllinci illərində Zəkəriyyə öz ideyalarını həyata keçirə bilmədi. Onun eksperimental qurğusunda yuxarıya doğru hərəkət edən atomlar aşağı düşənlərlə qarşılıqlı əlaqədə olur, bu da aşkarlamanın dəqiqliyini çaşdırırdı.

Zəkərinin ideyası yalnız səksəninci illərdə geri qaytarıldı. Stiven Çunun rəhbərlik etdiyi Stanford Universitetinin alimləri “optik bəkməz” adlandırdıqları üsulla Zaxari fəvvarəsini həyata keçirməyin yolunu tapıblar.

Çu sezium fəvvarəsində yuxarıya doğru atılan sezium atomlarının buludu sezium atomlarının optik rezonansından bir qədər aşağı rezonans tezliyinə malik olan üç cüt əks istiqamətli lazerlər sistemi ilə əvvəlcədən soyudulur.

Optik bəkməz ilə sezium fəvvarəsinin sxemi.

Lazerlə soyudulmuş sezium atomları, sanki bəkməzdən keçərək yavaş-yavaş hərəkət etməyə başlayır. Onların sürəti saniyədə üç metrə enir. Atomların sürətinin azaldılması tədqiqatçılara vəziyyətləri daha dəqiq aşkar etmək imkanı verir (etiraf etməlisiniz ki, saatda bir kilometr sürətlə hərəkət edən avtomobilin nömrələrini görmək yüz sürətlə hərəkət edən avtomobildən daha asandır. km/saat).

Soyudulmuş sezium atomlarından ibarət bir top, atomların rezonans tezliyinin elektromaqnit sahəsinə məruz qaldığı yol boyunca dalğa ötürücüsünü keçərək, təxminən bir metr yuxarıya atılır. Sistemin detektoru isə ilk dəfə olaraq atomların vəziyyətinin dəyişməsini qeyd edir. "Tavana" çatdıqdan sonra soyudulmuş atomlar cazibə qüvvəsi səbəbindən düşməyə başlayır və ikinci dəfə dalğa ötürücüsündən keçir. Geri qayıdarkən detektor onların vəziyyətini yenidən qeydə alır. Atomlar son dərəcə yavaş hərəkət etdikləri üçün onların kifayət qədər sıx bulud şəklində uçuşunu idarə etmək asandır, yəni fəvvarədə eyni anda yuxarı və aşağı uçan atomlar olmayacaq.

Chu'nun sezium fəvvarə qurğusu 1998-ci ildə NBS tərəfindən tezlik standartı kimi qəbul edilmiş və NIST-F1 adlandırılmışdır. Onun xətası 4 * 10 -16 idi, yəni NIST-F1 sələfi NIST-7-dən daha dəqiq idi.

Əslində, NIST-F1 sezium atomlarının vəziyyətini ölçməkdə dəqiqlik həddinə çatdı. Lakin alimlər bu qələbədə dayanmadılar. Qara cisim radiasiyasının atom saatlarının işinə gətirdiyi səhvi - sezium atomlarının hərəkət etdikləri qurğunun bədəninin istilik şüalanması ilə qarşılıqlı təsirinin nəticəsini aradan qaldırmaq qərarına gəldilər. Yeni NIST-F2 atom xronoqrafı qara cisim radiasiyasını demək olar ki, sıfıra endirərək, kriogen kameraya sezium fontanını yerləşdirdi. NIST-F2 səhvi inanılmaz 3*10 -17-dir.

Sezium tezliyinin standart variantlarının səhvinin azaldılması qrafiki

Hazırda sezium fəvvarələrinə əsaslanan atom saatları bəşəriyyətə texnogen sivilizasiyamızın nəbzinin vurduğu ən dəqiq zaman standartını təqdim edir. Mühəndislik fəndləri sayəsində NIST-F1 və NIST-F2-nin stasionar versiyalarında sezium atomlarını soyudan impulslu hidrogen maserləri şərti ilə əvəz edilmişdir. lazer şüası, maqnito-optik sistemlə tandemdə işləyir. Bu, kompakt və çox sabit strukturlar yaratmağa imkan verdi. xarici təsirlər kosmik gəmilərdə işləyə bilən NIST-Fx standartlarının variantları. Olduqca təxəyyüllə "Aerospace Cold Atom Clock" adlanan bu tezlik standartları GPS kimi naviqasiya sistemlərinin peyklərində quraşdırılmışdır ki, bu da qadcetlərimizdə istifadə olunan GPS qəbuledicilərinin koordinatlarının çox dəqiq hesablanması problemini həll etmək üçün onların heyrətamiz sinxronizasiyasını təmin edir.

Sezium fəvvarəsi atom saatının "Aerospace Cold Atom Clock" adlı kompakt versiyası GPS peyklərində istifadə olunur.

Vaxt istinadının hesablanması NBS ilə əməkdaşlıq edən müxtəlif tədqiqat mərkəzlərində yerləşən on NIST-F2-dən ibarət "ansamblı" tərəfindən həyata keçirilir. Atom saniyəsinin dəqiq dəyəri kollektiv şəkildə əldə edilir və bununla da müxtəlif səhvləri və insan amilinin təsirini aradan qaldırır.

Bununla belə, ola bilsin ki, bir gün sezium tezlik standartı bizim nəsillərimiz tərəfindən vaxtı ölçmək üçün çox kobud mexanizm kimi qəbul edilsin, necə ki, biz indi əcdadlarımızın mexaniki baba saatlarında sarkacın hərəkətlərinə laqeydliklə baxırıq.

Atom saatlarının həmişə göstərdiyi ifadəsini tez-tez eşidirik dəqiq vaxt. Ancaq onların adından atom saatlarının niyə ən dəqiq olduğunu və ya necə işlədiyini başa düşmək çətindir.

Adında “atom” sözünün olması saatın həyatı üçün təhlükə yaratdığını ifadə etmir. atom bombası və ya nüvə stansiyası. Bu vəziyyətdə biz yalnız saatın işləmə prinsipindən danışırıq. Əgər adi mexaniki saatda salınım hərəkətləri dişli çarxlarla yerinə yetirilirsə və onların hərəkətləri hesablanırsa, atom saatında atomların daxilindəki elektronların rəqsləri sayılır. Fəaliyyət prinsipini daha yaxşı başa düşmək üçün elementar hissəciklərin fizikasını xatırlayaq.

Dünyamızdakı bütün maddələr atomlardan ibarətdir. Atomlar proton, neytron və elektronlardan ibarətdir. Protonlar və neytronlar bir-biri ilə birləşərək nüvə əmələ gətirir ki, bu da nuklon adlanır. Elektronlar müxtəlif enerji səviyyələrində ola bilən nüvənin ətrafında hərəkət edir. Ən maraqlısı odur ki, enerjini udarkən və ya buraxarkən elektron öz enerji səviyyəsindən daha yüksək və ya aşağı səviyyəyə keçə bilər. Elektron elektromaqnit şüalanmasından enerji əldə edə bilər, hər keçiddə müəyyən tezlikli elektromaqnit şüalanmanı udur və ya yayır.

Çox vaxt dəyişiklik üçün Sezium -133 elementinin atomlarının istifadə edildiyi saatlar var. Əgər 1 saniyədə sarkaç adi saat 1 salınım hərəkəti edir, sonra elektronlar atom saatlarında Sezium-133 əsasında, bir enerji səviyyəsindən digərinə keçərkən, 9192631770 Hz tezliyi ilə elektromaqnit şüaları yayırlar. Belə çıxır ki, bir saniyə atom saatlarında hesablanırsa, məhz bu sayda intervala bölünür. Bu dəyər 1967-ci ildə beynəlxalq ictimaiyyət tərəfindən rəsmi olaraq qəbul edilmişdir. Təsəvvür edin ki, 60 deyil, 9192631770 bölməsi olan nəhəng siferblat cəmi 1 saniyə təşkil edir. Təəccüblü deyil ki, atom saatları bu qədər dəqiqdir və bir sıra üstünlüklərə malikdir: atomlar qocalmır, köhnəlmir və rəqs tezliyi həmişə bir kimyəvi element üçün eyni olacaq, bunun sayəsində məsələn, kosmosda və Yerdəki atom saatlarının oxunuşlarını səhvlərdən qorxmadan sinxron şəkildə müqayisə edin.

Atom saatları sayəsində bəşəriyyət nisbilik nəzəriyyəsinin düzgünlüyünü praktikada yoxlaya bildi və onun Yerdəkindən daha yaxşı olduğuna əmin oldu. Atom saatları bir çox peyklərdə və kosmik gəmilərdə quraşdırılır, telekommunikasiya ehtiyacları üçün istifadə olunur. mobil rabitə, onlar bütün planetdə dəqiq vaxtı müqayisə etmək üçün istifadə olunur. Mübaliğəsiz, məhz atom saatlarının ixtirası sayəsində bəşəriyyət yüksək texnologiyalar dövrünə qədəm qoya bildi.

Atom saatları necə işləyir?

Sezium-133, arzu olunan enerji vəziyyətinə malik atomların seçildiyi bir maqnit sahəsindən keçən sezium atomlarının buxarlanması ilə qızdırılır.

Seçilmiş atomlar daha sonra kvars osilatoru tərəfindən yaradılan 9192631770 Hz-ə yaxın tezlikli maqnit sahəsindən keçir. Sahənin təsiri altında sezium atomları yenidən enerji vəziyyətlərini dəyişir və detektorun üzərinə düşür, bu da nə vaxt qeydə alınır. ən böyük rəqəm gələn atomlar "düzgün" enerji vəziyyətinə sahib olacaqlar. Maksimum məbləğ dəyişdirilmiş enerji vəziyyəti olan atomlar, mikrodalğalı sahənin tezliyinin düzgün seçildiyini göstərir və sonra onun dəyəri elektron cihaza - tezlik bölücüyə verilir, tezliyi tam sayda dəfə azaldaraq 1 nömrəsini alır, ikinci istinaddır.

Beləliklə, sezium atomları kristal osilatorun yaratdığı maqnit sahəsinin düzgün tezliyini yoxlamaq üçün istifadə olunur və onu sabit bir dəyərdə saxlamağa kömək edir.

Bu maraqlıdır: Mövcud atom saatları misli görünməmiş dərəcədə dəqiq olsa da və milyonlarla il səhvsiz işləyə bilsə də, fiziklər bununla dayanmaq fikrində deyillər. Müxtəlif atomlardan istifadə kimyəvi elementlər, onlar atom saatlarının dəqiqliyini artırmaq üçün daim çalışırlar. Ən son ixtiralar arasında atom saatı da var stronsium, bunlar sezium analoqundan üç dəfə daha dəqiqdir. Cəmi bir saniyə geridə qalmaq üçün onlara 15 milyard il lazımdır - bizim Kainatımızın yaşından çox vaxt...

Səhv tapsanız, lütfən, mətnin bir hissəsini vurğulayın və klikləyin Ctrl+Enter.

Kolumbiya Universitetinin fizika professoru İsidor Rabi heç vaxt görülməmiş bir layihə təklif etdi: maqnit rezonansının atom şüası prinsipi ilə işləyən saat. Bu, 1945-ci ildə baş verdi və artıq 1949-cu ildə Milli Standartlar Bürosu ilk işləyən prototipi buraxdı. O, ammonyak molekulunun vibrasiyasını oxuyur. Sezium daha sonra istifadəyə verildi: NBS-1 modeli yalnız 1952-ci ildə ortaya çıxdı.

İngiltərədəki Milli Fizika Laboratoriyası 1955-ci ildə ilk sezium şüalı saatı yaratdı. On ildən çox müddət sonra, Çəkilər və Ölçülər üzrə Baş Konfrans zamanı sezium atomunda titrəmələrə əsaslanan daha təkmil saat təqdim edildi. NBS-4 modeli 1990-cı ilə qədər istifadə edilmişdir.

Saatların növləri

Aktiv Bu an Təxminən eyni prinsiplə işləyən üç növ atom saatı var. Sezium saatları, ən dəqiqi, sezium atomunu ayırır maqnit sahəsi. Ən sadə atom saatı, rubidium saatı, şüşə lampanın içərisindəki rubidium qazından istifadə edir. Və nəhayət, hidrogen atom saatı özünə istinad nöqtəsi kimi xüsusi materialın qabığında bağlanmış hidrogen atomlarını götürür - atomların enerjini tez itirməsinin qarşısını alır.

İndi saat neçədir

1999-cu ildə ABŞ Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutu (NIST) atom saatının daha təkmil versiyasını təklif etdi. NIST-F1 modeli hər iyirmi milyon ildən bir yalnız bir saniyəlik səhvə yol verir.

Ən dəqiqi

Lakin NIST fizikləri bununla kifayətlənmədilər. Alimlər bu dəfə stronsium atomlarına əsaslanan yeni xronometr hazırlamaq qərarına gəliblər. Yeni saat əvvəlki modelin 60%-i ilə işləyir, bu o deməkdir ki, o, iyirmi milyon ildə deyil, beş milyarda qədər bir saniyə itirir.

Zamanın ölçülməsi

Beynəlxalq müqavilə sezium hissəciyinin rezonansının yeganə dəqiq tezliyini müəyyən etmişdir. Bu, 9,192,631,770 hersdir - çıxış siqnalını bu rəqəmə bölmək saniyədə tam olaraq bir dövrəyə bərabərdir.