Aatomkell: seade satelliidi- ja navigatsioonisüsteemide aja mõõtmiseks.

Möödunud aastal, 2012, möödus nelikümmend viis aastat ajast, mil inimkond otsustas kasutada aatomajamõõtmist, et võimalikult täpselt aega mõõta. 1967. aastal lakkas rahvusvahelise ajakategooria määramine astronoomiliste skaaladega – need asendati tseesiumi sagedusstandardiga. Just tema sai nüüd populaarse nime - aatomkellad. Täpse aja, mida nad võimaldavad teil määrata, viga on üks sekund kolme miljoni aasta kohta, mis võimaldab neid kasutada ajastandardina igas maailma nurgas.

Natuke ajalugu

Idee kasutada aatomivibratsiooni ülitäpse aja mõõtmiseks väljendas esmakordselt 1879. aastal Briti füüsik William Thomson. Resonaatoriaatomite emitteri rollis pakkus see teadlane välja vesiniku kasutamise. Esimesed katsed ideed ellu viia tehti alles 1940. aastatel. kahekümnendal sajandil. Ja maailma esimene töötav aatomkell ilmus 1955. aastal Ühendkuningriigis. Nende loojaks oli Briti eksperimentaalfüüsik dr Louis Essen. See kell töötas tseesium-133 aatomite vibratsiooni baasil ja tänu neile suutsid teadlased lõpuks mõõta aega senisest palju suurema täpsusega. Esseni esimene seade lubas iga saja aasta kohta mitte rohkem kui sekundilist viga, kuid hiljem suurenes see mitu korda ja viga sekundis võib koguneda vaid 2-3 sadade miljonite aastatega.

Aatomkell: kuidas see töötab

Kuidas see geniaalne "seade" töötab? Resonantssageduse generaatorina kasutavad aatomkellad molekule või aatomeid kvanttasandil. loob ühenduse mitme diskreetse energiatasemega süsteemi "aatomituum – elektronid". Kui selline süsteem on mõjutatud rangelt määratud sagedusega, siis toimub selle süsteemi üleminek madalalt tasemelt kõrgele. Võimalik on ka pöördprotsess: aatomi üleminek kõrgemalt tasemelt madalamale, millega kaasneb energia eraldumine. Neid nähtusi saab kontrollida ja salvestada kõiki energiahüppeid, luues midagi võnkeahela taolist (seda nimetatakse ka aatomostsillaatoriks). Selle resonantssagedus vastab energia erinevusele naabruses asuvate aatomite üleminekutasemete vahel, jagatud Plancki konstandiga.

Sellisel võnkeahelal on vaieldamatud eelised võrreldes selle mehaaniliste ja astronoomiliste eelkäijatega. Ühe sellise aatomi ostsillaatori puhul on mis tahes aine aatomite resonantssagedus sama, mida ei saa öelda pendlite ja piesokristallide kohta. Lisaks ei muuda aatomid aja jooksul oma omadusi ega kulu. Seetõttu on aatomkellad ülitäpsed ja peaaegu igavesed kronomeetrid.

Täpne aeg ja kaasaegsed tehnoloogiad

Telekommunikatsioonivõrgud, satelliitside, GPS, NTP-serverid, elektroonilised tehingud börsil, veebioksjonid, Interneti kaudu piletite ostmise kord - kõik need ja paljud muud nähtused on meie elus juba ammu kinnistunud. Aga kui inimkond poleks aatomkella leiutanud, poleks seda kõike lihtsalt juhtunud. Täpne aeg, sünkroonimine, millega saate minimeerida vigu, viivitusi ja viivitusi, võimaldab inimesel maksimaalselt ära kasutada seda hindamatut asendamatut ressurssi, mida pole kunagi liiga palju.

Teadusmaailmas on levinud sensatsioon – aeg haihtub meie universumist! Seni on see vaid Hispaania astrofüüsikute hüpotees. Kuid seda, et aja kulg Maal ja ruumis on erinev, on teadlased juba tõestanud. Aeg voolab gravitatsiooni mõjul aeglasemalt, planeedilt eemaldudes kiireneb. Maapealse ja kosmilise aja sünkroniseerimise ülesannet täidavad vesiniku sagedusstandardid, mida nimetatakse ka "aatomkelladeks".

Esimene aatomiaeg ilmus koos astronautika tulekuga, aatomkellad ilmusid 1920. aastate keskel. Nüüd on aatomkellad muutunud igapäevaseks, igaüks meist kasutab neid iga päev: need töötavad digitaalse side, GLONAS-i, navigatsiooni ja transpordiga.

Mobiiltelefonide omanikud ei mõtle peaaegu sellele, kui palju tööd kosmoses tiheda aja sünkroonimiseks tehakse, kuid me räägime vaid sekundi miljondiktest.

Täpse aja standard on salvestatud Moskva piirkonnas, füüsikalis-tehniliste ja raadiotehniliste mõõtmiste teadusinstituudis. Maailmas on 450 sellist kella.

Aatomkellade monopolistid on Venemaa ja USA, kuid USA-s töötavad kellad tseesiumi, väga keskkonnakahjuliku radioaktiivse metalli ja Venemaal vesiniku baasil ohutuma vastupidava materjali baasil.

Sellel kellal pole sihverplaati ja osutit: see näeb välja nagu haruldastest ja väärtuslikest metallidest valmistatud suur tünn, mis on täidetud kõige arenenuma tehnoloogiaga - ülitäpsed mõõteriistad ja aatomistandarditega seadmed. Nende loomise protsess on väga pikk, keeruline ja toimub absoluutse steriilsuse tingimustes.

4 aastat on Venemaa satelliidile paigaldatud kell uurinud tumeenergiat. Inimstandardite järgi kaotavad nad paljude miljonite aastate jooksul 1 sekundi võrra täpsust.

Varsti paigaldatakse aatomkell Spektr-M-ile, kosmoseobservatooriumile, mis näeb, kuidas tähed ja eksoplaneedid moodustuvad, ning vaatab meie galaktika keskel asuva musta augu servast kaugemale. Teadlaste sõnul voolab aeg siin koletu gravitatsiooni tõttu nii aeglaselt, et peaaegu peatub.

tvroskosmos

Millised "kellasepad" selle ülitäpse liigutuse välja mõtlesid ja täiustasid? Kas talle on asendaja? Proovime selle välja mõelda.

2012. aastal tähistab aatomiajavõtt oma 45. aastapäeva. 1967. aastal hakati ajakategooriat rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis määrama mitte astronoomiliste skaalade, vaid tseesiumi sageduse standardi järgi. Tavainimesed kutsuvad seda aatomkellaks.

Mis on aatomostsillaatorite tööpõhimõte? Resonantssageduse allikana kasutavad need "seadmed" aatomite või molekulide kvantenergia taset. Kvantmehaanika ühendab mitu diskreetset energiataset süsteemiga "aatomituum – elektronid". Teatud sagedusega elektromagnetväli võib provotseerida selle süsteemi üleminekut madalalt tasemelt kõrgemale. Võimalik on ka vastupidine nähtus: aatom võib energia emissiooniga liikuda kõrgelt energiatasemelt madalamale. Mõlemat nähtust saab kontrollida ja neid energiatasemetevahelisi hüppeid fikseerida, luues seeläbi võnkeahela sarnase. Selle ahela resonantssagedus võrdub kahe üleminekutaseme energia erinevusega, jagatud Plancki konstandiga.

Saadud aatomiostsillaatoril on vaieldamatud eelised võrreldes selle astronoomiliste ja mehaaniliste eelkäijatega. Erinevalt pendlitest ja piesokristallidest on ostsillaatori jaoks valitud aine kõigi aatomite resonantssagedus sama. Lisaks ei kulu aatomid aja jooksul ega muuda oma omadusi. Ideaalne variant peaaegu igavese ja ülitäpse kronomeetri jaoks.

Esimest korda kaalus võimalust kasutada aatomite tasanditevahelisi energiasiirdeid sagedusstandardina juba 1879. aastal Briti füüsik William Thomson, paremini tuntud kui Lord Kelvin. Ta tegi ettepaneku kasutada resonaatoriaatomite allikana vesinikku. Tema uurimustöö oli aga pigem teoreetiline. Tollane teadus ei olnud veel valmis aatomkronomeetri väljatöötamiseks.

Lord Kelvini idee teoks saamiseni kulus peaaegu sada aastat. See oli pikk aeg, kuid ülesanne polnud ka lihtne. Aatomite muutmine ideaalseteks pendliteks osutus praktikas keerulisemaks kui teoorias. Raskus seisnes võitluses nn resonantslaiusega – energia neeldumise ja emissiooni sageduse väike kõikumine, kui aatomid liiguvad tasemelt teisele. Resonantssageduse ja resonantsi laiuse suhe määrab aatomi ostsillaatori kvaliteedi. Ilmselgelt, mida suurem on resonantsi laiuse väärtus, seda madalam on aatomipendli kvaliteet. Kahjuks ei ole võimalik kvaliteedi parandamiseks resonantssagedust tõsta. See on iga konkreetse aine aatomite jaoks konstantne. Kuid resonantsi laiust saab vähendada, suurendades aatomite vaatlusaega.

Tehniliselt on seda võimalik saavutada järgmiselt: lasta välisel, näiteks kvartsil, ostsillaatoril perioodiliselt tekitada elektromagnetkiirgust, mis sunnib doonoraine aatomeid hüppama üle energiataseme. Sel juhul on aatomikronograafi tuuneri ülesandeks selle kvartsostsillaatori sageduse maksimaalne lähendamine aatomite tasanditevahelise ülemineku resonantssagedusele. See saab võimalikuks aatomite võnkumiste piisavalt pika vaatlusperioodi ja kvartsi sagedust reguleeriva tagasiside loomise korral.

Tõsi, peale aatomkronograafi resonantslaiuse vähendamise probleemi on palju muid probleeme. See on Doppleri efekt – resonantssageduse nihe, mis on tingitud aatomite liikumisest ja aatomite vastastikustest kokkupõrgetest, mis põhjustab planeerimata energiasiirdeid ja isegi tumeaine kõikehõlmava energia mõju.

Esimest korda katsetasid aatomkellade praktilist rakendamist eelmise sajandi kolmekümnendatel aastatel Columbia ülikooli teadlased tulevase Nobeli preemia laureaadi dr Isidore Rabi juhendamisel. Rabi tegi ettepaneku kasutada pendli aatomite allikana tseesiumi isotoopi 133 Cs. Kahjuks katkestas Rabi töö, mis NBS-ile suurt huvi pakkus, Teine maailmasõda.

Pärast selle valmimist läks aatomikronograafi rakendamise meistrivõistlused NBS-i töötajale Harold Lyonsile. Tema aatomostsillaator töötas ammoniaagil ja andis vea, mis oli proportsionaalne kvartsresonaatorite parimate näidetega. 1949. aastal demonstreeriti laiemale avalikkusele ammoniaagi aatomkellasid. Hoolimata üsna keskpärasest täpsusest rakendasid nad aatomikronograafide tulevaste põlvkondade põhiprintsiipe.

Louis Esseni saadud tseesiumi aatomkella prototüüp andis täpsuse 1 * 10 -9, samas kui resonantsi laius oli vaid 340 hertsi.

Veidi hiljem täiendas Harvardi ülikooli professor Norman Ramsey Isidore Rabi ideid, vähendades mõju Doppleri efekti mõõtmiste täpsusele. Ta tegi ettepaneku ühe aatomeid ergastava pika kõrgsagedusimpulsi asemel kasutada kahte lühikest impulssi, mis saadetakse lainejuhi harudesse, mis asuvad üksteisest teatud kaugusel. See võimaldas drastiliselt vähendada resonantsi laiust ja tegelikult võimaldas luua aatomostsillaatoreid, mis on suurusjärgu võrra paremad kui nende kvartsist esivanemad.

Möödunud sajandi viiekümnendatel töötas Norman Ramsey pakutud skeemi järgi riiklikus füüsikalaboris (Suurbritannia) selle töötaja Louis Essen aatomiostsillaatori kallal, mis põhines tseesiumi isotoobil 133 Cs, mille Rabi oli varem välja pakkunud. Tseesiumit ei valitud juhuslikult.

Tseesium-133 isotoobi aatomite ülipeente üleminekutasemete skeem

Leelismetallide rühma kuuluvad tseesiumiaatomid erutuvad ülimalt kergesti energiatasemete vahel hüppama. Nii on näiteks valguskiir kergesti võimeline tseesiumi aatomistruktuurist elektronide voogu välja lööma. Tänu sellele omadusele kasutatakse tseesiumi laialdaselt fotodetektorites.

Klassikalise tseesiumostsillaatori seade, mis põhineb Ramsey lainejuhil

Esimene ametlik tseesiumi sagedusstandard NBS-1

NBS-1 järeltulija – NIST-7 ostsillaator kasutas tseesiumiaatomite kiirte laserpumpamist

Kulus rohkem kui neli aastat, enne kui Esseni prototüübist sai tõeline standard. Lõppude lõpuks oli aatomkellade peenhäälestus võimalik ainult olemasolevate efemeriidi ajaühikutega võrreldes. Neli aastat kalibreeriti aatomiostsillaatorit Kuu pöörlemise jälgimisega ümber Maa, kasutades USA mereväe vaatluskeskuse William Markowitzi leiutatud kõige täpsemat kuukaamerat.

Aatomkellade "kohandamine" Kuu efemeriidile viidi läbi aastatel 1955–1958, misjärel tunnustas NBS seadet ametlikult sagedusstandardina. Veelgi enam, tseesiumi aatomkellade enneolematu täpsus sundis NBS-i muutma SI-standardis ajaühikut. Alates 1958. aastast on "9 192 631 770 kiirgusperioodi kestus, mis vastab üleminekule tseesium-133 isotoobi aatomi standardseisundi kahe ülipeen taseme vahel" ametlikult teiseks.

Louis Esseni seade sai nimeks NBS-1 ja seda peeti esimeseks tseesiumi sagedusstandardiks.

Järgmise kolmekümne aasta jooksul töötati välja kuus NBS-1 modifikatsiooni, millest viimane, NIST-7, mis loodi 1993. aastal, asendades magnetid laserlõksudega, tagab täpsuse 5 * 10 -15 resonantslaiusega ainult kuuskümmend kaks hertsi.

NBS-i poolt kasutatavate tseesiumi sagedusstandardite karakteristikute võrdlustabel

NBS-seadmed on statsionaarsed katsestendid, mis võimaldab neid liigitada pigem standardite kui praktiliselt kasutatavate ostsillaatorite hulka. Kuid puhtalt praktilistel eesmärkidel on Hewlett-Packard töötanud tseesiumi sagedusstandardi kasuks. 1964. aastal lõi tulevane arvutihiiglane tseesiumi sagedusstandardi kompaktse versiooni - seadme HP 5060A.

NBS-standardite abil kalibreeritud HP 5060 sagedusstandardid sobivad tüüpilise raadioseadmete riiuliga ja olid äriliselt edukad. Just tänu Hewlett-Packardi seatud tseesiumi sagedusstandardile läks aatomkellade enneolematu täpsus massidesse.

Hewlett-Packard 5060A.

Selle tulemusena said võimalikuks sellised asjad nagu satelliittelevisioon ja -side, globaalsed navigatsioonisüsteemid ja infovõrgu aja sünkroonimisteenused. Aatomkronograafi tehnoloogial oli tööstusdisaini palju rakendusi. Samas ei piirdunud Hewlett-Packard sellega ning parandas pidevalt tseesiumistandardite kvaliteeti ning nende kaalu- ja suurusenäitajaid.

Hewlett-Packardi aatomkellade perekond

2005. aastal müüdi Hewlett-Packardi aatomkellade osakond Simmetricomile.

Koos tseesiumiga, mille varud looduses on väga piiratud ja nõudlus selle järele erinevates tehnoloogiavaldkondades äärmiselt suur, kasutati doonorainena rubiidiumi, mis on omadustelt tseesiumile väga lähedane.

Näib, et olemasolev aatomkellade skeem on viidud täiuslikkuseni. Vahepeal oli sellel kahetsusväärne puudus, mille kõrvaldamine sai võimalikuks tseesiumi sagedusstandardite teise põlvkonna, mida nimetatakse tseesiumipurskkaevudeks.

Aja ja optilise melassi purskkaevud

Hoolimata tseesiumiaatomite oleku lasertuvastust kasutava NIST-7 aatomkronomeetri suurimast täpsusest, ei erine selle skeem põhimõtteliselt tseesiumi sagedusstandardite esimeste versioonide skeemidest.

Ja kõigi nende skeemide disainiviga seisneb selles, et lainejuhis liikuva tseesiumiaatomite kiire levimiskiirust on põhimõtteliselt võimatu kontrollida. Ja seda hoolimata asjaolust, et tseesiumiaatomite liikumiskiirus toatemperatuuril on sada meetrit sekundis. Üsna kiiresti.

Seetõttu on kõik tseesiumistandardite modifikatsioonid tasakaalu otsimine lainejuhi suuruse, millel on aega kahes punktis kiiretele tseesiumiaatomitele mõjuda, ja selle efekti tulemuste tuvastamise täpsuse vahel. Mida väiksem on lainejuht, seda keerulisem on tekitada järjestikuseid elektromagnetimpulsse, mis mõjutavad samu aatomeid.

Aga mis siis, kui leiame viisi tseesiumiaatomite liikumiskiiruse vähendamiseks? Just selle mõttega tegeles Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi üliõpilane Jerrold Zacharius, kes uuris gravitatsiooni mõju aatomite käitumisele eelmise sajandi neljakümnendate lõpus. Hiljem, osaledes tseesiumi sagedusstandardi Atomichroni variandi väljatöötamises, pakkus Zacharius välja tseesiumi purskkaevu idee - meetodi tseesiumi aatomite kiiruse vähendamiseks ühe sentimeetrini sekundis ja vabanemiseks kahe käega lainejuhist. traditsioonilistest aatomostsillaatoritest.

Zachariuse idee oli lihtne. Mis siis, kui juhite tseesiumi aatomeid ostsillaatori sees vertikaalselt? Seejärel läbivad samad aatomid detektorit kaks korda: esimest korda ülespoole liikudes ja teist korda allapoole, kus nad gravitatsiooni mõjul tormavad. Samal ajal on aatomite allapoole liikumine palju aeglasem kui õhkutõus, sest purskkaevus reisimise ajal kaotavad nad energiat. Kahjuks ei saanud Zacharius eelmise sajandi viiekümnendatel oma ideid realiseerida. Tema eksperimentaalsetes seadistustes suhtlesid üles liikuvad aatomid allakukkujatega, mis vähendas tuvastamise täpsust.

Sakariuse idee naasis alles kaheksakümnendatel. Stanfordi ülikooli teadlased eesotsas Steven Chuga on leidnud viisi Zachariuse purskkaevu rakendamiseks, kasutades tehnikat, mida nad nimetavad "optiliseks melassiks".

Chu tseesiumi purskkaevus jahutatakse ülespoole suunatud tseesiumiaatomite pilve kolme paari vastassuunas laserite süsteemiga, mille resonantssagedus jääb tseesiumiaatomite optilise resonantsi alla.

Optilise melassiga tseesiumipurskkaevu skeem.

Laseritega jahutatuna hakkavad tseesiumi aatomid aeglaselt liikuma, justkui läbi melassi. Nende kiirus langeb kolme meetrini sekundis. Aatomite kiiruse vähendamine annab teadlastele võimaluse olekut täpsemalt tuvastada (peate nõustuma, kilomeetrise tunnikiirusega liikuva auto numbreid on palju lihtsam arvestada kui sajakiirusel liikuva autoga kilomeetrit tunnis).

Jahtunud tseesiumiaatomitest koosnev pall lastakse umbes meetri kõrgusel üles, läbides teel lainejuhi, mille kaudu aatomitele mõjub resonantssagedusega elektromagnetväli. Ja süsteemi detektor fikseerib esimest korda aatomite oleku muutuse. Jõudnud "lage", hakkavad jahtunud aatomid gravitatsiooni toimel langema ja läbivad lainejuhi teist korda. Tagasiteel jäädvustab detektor taas nende oleku. Kuna aatomid liiguvad üliaeglaselt, on nende lendu üsna tiheda pilvena lihtne kontrollida, mis tähendab, et purskkaevus ei lenda korraga üles-alla aatomeid.

NBS võttis Chu tseesiumipurskkaevu seadistuse sagedusstandardina kasutusele 1998. aastal ja sai nimeks NIST-F1. Selle viga oli 4 * 10 -16, mis tähendab, et NIST-F1 oli täpsem kui tema eelkäija NIST-7.

Tegelikult saavutas NIST-F1 tseesiumiaatomite oleku mõõtmise täpsuse piiri. Kuid teadlased ei peatunud selle võidu juures. Nad otsustasid kõrvaldada aatomkellade töösse sisse viidud vea täiesti musta keha kiirgusega - tseesiumiaatomite vastasmõju tulemusena selle käitise keha soojuskiirgusega, milles nad liiguvad. Uues NIST-F2 aatomkronograafis asetati tseesiumipurskkaev krüogeensesse kambrisse, mis vähendas musta keha kiirgust peaaegu nullini. NIST-F2 veapiir on uskumatu 3*10 -17.

Tseesiumi sagedusstandardite variantide vea vähendamise graafik

Praegu annavad tseesiumipurskkaevudel põhinevad aatomkellad inimkonnale kõige täpsema ajastandardi, mille suhtes meie tehnogeense tsivilisatsiooni pulss lööb. Tänu inseneritrikkidele on NIST-F1 ja NIST-F2 statsionaarsetes versioonides tseesiumi aatomeid jahutavad impulssvesinikmaserid asendatud tavapärase laserkiirega, mis on ühendatud magneto-optilise süsteemiga. See võimaldas luua NIST-Fx standardite kompaktseid ja väga vastupidavaid versioone, mis on võimelised töötama kosmoseaparaadis. Need sagedusstandardid, mis on tabavalt nimetatud "Aerospace Cold Atom Clock", on seatud navigatsioonisüsteemide (nt GPS) satelliitidele, mis tagab neile hämmastava sünkroonimise, et lahendada meie vidinates kasutatavate GPS-vastuvõtjate koordinaatide väga täpse arvutamise probleem.

GPS-satelliitides kasutatakse tseesiumipurskkaevu aatomkella kompaktset versiooni, mida nimetatakse "Aerospace Cold Atom Clockiks".

Võrdlusaja arvutamist teostab kümnest NIST-F2-st koosnev "ansambel", mis asub erinevates NBS-iga koostööd tegevates uurimiskeskustes. Aatomsekundi täpne väärtus saadakse kollektiivselt ning seeläbi elimineeritakse erinevad vead ja inimfaktori mõju.

Siiski on võimalik, et ühel päeval tajuvad meie järeltulijad tseesiumi sageduse standardit kui väga jämedat aja mõõtmise mehhanismi, nii nagu me praegu vaatame alandlikult pendli liikumist oma esivanemate mehaanilistes vanaisakellades.

Sageli kuuleme fraasi, et aatomkellad näitavad alati täpset aega. Kuid nende nime järgi on raske aru saada, miks aatomkellad on kõige täpsemad või kuidas need töötavad.

See, et nimes sisaldub sõna "aatom", ei tähenda sugugi, et kell oleks eluohtlik, isegi kui kohe tulevad pähe mõtted aatomipommist või tuumajaamast. Sel juhul räägime lihtsalt kella põhimõttest. Kui tavalistes mehaanilistes kellades teevad hammasrattad vibratsioonilisi liigutusi ja nende liikumisi loetakse, siis aatomkellades loetakse aatomite sees elektronide võnkumisi. Toimimispõhimõtte paremaks mõistmiseks tuletame meelde elementaarosakeste füüsikat.

Kõik ained meie maailmas koosnevad aatomitest. Aatomid koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Prootonid ja neutronid ühinevad üksteisega, moodustades tuuma, mida nimetatakse ka nukleoniks. Tuuma ümber liiguvad elektronid, mis võivad olla erinevatel energiatasemetel. Kõige huvitavam on see, et energiat neelates või välja andes võib elektron liikuda oma energiatasemelt kõrgemale või madalamale. Elektron võib saada energiat elektromagnetkiirgusest, neelates või kiirgades igal üleminekul teatud sagedusega elektromagnetkiirgust.

Kõige sagedamini on kellasid, milles tseesium-133 aatomeid kasutatakse muutmiseks. Kui 1 sekundiga pendel tavalised kellad teeb 1 võnkuva liikumise, siis elektronid aatomkellades tseesium-133 baasil kiirgavad ühelt energiatasemelt teisele liikudes elektromagnetkiirgust sagedusega 9192631770 Hz. Selgub, et üks sekund jaguneb täpselt selliseks arvuks intervallideks, kui seda aatomkellades arvutada. Rahvusvaheline üldsus võttis selle väärtuse ametlikult üle 1967. aastal. Kujutage ette tohutut numbrilauda, ​​kus pole mitte 60, vaid 9192631770 jaotust, mis on vaid 1 sekund. Pole üllatav, et aatomkellad on nii täpsed ja neil on mitmeid eeliseid: aatomid ei vanane, ei kulu ja võnkesagedus on ühe keemilise elemendi puhul alati sama, tänu millele on võimalik samaaegselt võrrelda. , näiteks aatomkellade näidud kaugel kosmoses ja Maal, ei karda vigu.

Tänu aatomkelladele sai inimkond praktikas testida relatiivsusteooria õigsust ja veenduda selles, kui Maal. Aatomkellad on paigaldatud paljudele satelliitidele ja kosmoselaevadele, neid kasutatakse telekommunikatsiooni vajadusteks, mobiilside jaoks, nad võrdlevad täpset aega kogu planeedil. Liialdamata sai inimkond astuda kõrgtehnoloogia ajastusse just tänu aatomkella leiutamisele.

Kuidas aatomkellad töötavad?

Tseesium-133 kuumutatakse tseesiumi aatomite aurustamisega, mis juhitakse läbi magnetvälja, kus valitakse soovitud energiaolekuga aatomid.

Seejärel läbivad valitud aatomid 9192631770 Hz lähedase sagedusega magnetvälja, mis tekitab kvartsostsillaatori. Välja mõjul muudavad tseesiumi aatomid taas oma energiaolekut ja langevad detektorile, mis fikseerib, millal saab kõige rohkem sissetulevaid aatomeid “õiges” energiaseisundis. Muutunud energiaseisundiga aatomite maksimaalne arv näitab, et mikrolainevälja sagedus on õigesti valitud ja seejärel sisestatakse selle väärtus elektroonilisse seadmesse - sagedusjagurisse, mis sagedust täisarvu kordades vähendades saab number 1, mis on viitesekund.

Seega kasutatakse tseesiumi aatomeid kristallostsillaatori tekitatava magnetvälja õige sageduse kontrollimiseks, aidates seda konstantsena hoida.

See on huvitav: kuigi tänapäeval eksisteerivad aatomkellad on enneolematult täpsed ja võivad vigadeta töötada miljoneid aastaid, ei kavatse füüsikud sellega peatuda. Erinevate keemiliste elementide aatomeid kasutades töötavad nad pidevalt aatomkellade täpsuse parandamise nimel. Viimastest leiutistest – aatomkellad peal strontsium, mis on kolm korda täpsemad kui nende tseesiumi vaste. Neil kuluks sekundiga mahajäämiseks 15 miljardit aastat – see on aeg pikem kui meie universumi vanus…

Kui leiate vea, tõstke esile mõni tekstiosa ja klõpsake Ctrl+Enter.

Columbia ülikooli füüsikaprofessor Isidore Rabi pakkus välja seninägematu projekti: kella, mis töötab magnetresonantsi aatomikiire põhimõttel. See juhtus 1945. aastal ja juba 1949. aastal lasi National Bureau of Standards välja esimese töötava prototüübi. See luges ammoniaagi molekuli vibratsiooni. Tseesium sisenes ärisse palju hiljem: NBS-1 mudel ilmus alles 1952. aastal.

Inglismaa riiklik füüsikalabor lõi esimese tseesiumkiirega kella 1955. aastal. Enam kui kümme aastat hiljem, kaalude ja mõõtude peakonverentsil, esitleti arenenumat kella, mis põhines samuti tseesiumiaatomi vibratsioonil. NBS-4 mudelit kasutati kuni 1990. aastani.

Kellatüübid

Praegu on kolme tüüpi aatomkellasid, mis töötavad ligikaudu samal põhimõttel. Kõige täpsem tseesiumikell eraldab tseesiumi aatomi magnetvälja abil. Lihtsaim aatomkell, rubiidiumkell, kasutab klaaskolbi sisse suletud rubiidiumi. Ja lõpuks, vesiniku aatomkellad võtavad võrdluspunktiks spetsiaalsest materjalist kesta suletud vesinikuaatomeid - see ei lase aatomitel kiiresti energiat kaotada.

Mis kell on praegu

1999. aastal pakkus USA riiklik standardite ja tehnoloogia instituut (NIST) välja aatomkella veelgi täiustatud versiooni. NIST-F1 mudeli viga kahekümne miljoni aasta jooksul on vaid üks sekund.

Kõige täpsem

Kuid NIST-i füüsikud ei piirdunud sellega. Teadlased otsustasid välja töötada uue kronomeetri, mis seekord põhines strontsiumi aatomitel. Uus kell töötab 60% eelmisest mudelist, mis tähendab, et see kaotab ühe sekundi mitte kahekümne miljoni aastaga, vaid lausa viie miljardiga.

Aja mõõtmine

Rahvusvaheline leping on määranud tseesiumiosakese resonantsi ainsa täpse sageduse. See on 9 192 631 770 hertsi – väljundsignaali jagamine selle arvuga annab täpselt ühe tsükli sekundis.