Atoomklok: Een apparaat voor het meten van de tijd van satelliet- en navigatiesystemen.

Vorig jaar, 2012, was het vijfenveertig jaar geleden dat de mensheid besloot atomaire tijdwaarneming te gebruiken om de tijd zo nauwkeurig mogelijk te meten. In 1967 werd de internationale tijdcategorie niet langer bepaald door astronomische schalen - ze werden vervangen door de cesiumfrequentiestandaard. Hij was het die de nu populaire naam ontving: atoomklok. De exacte tijd die ze kunnen bepalen heeft een onbeduidende fout van één seconde per drie miljoen jaar, waardoor ze in elke hoek van de wereld als tijdstandaard kunnen worden gebruikt.

Een beetje geschiedenis

Het idee om atomaire trillingen te gebruiken voor ultranauwkeurige tijdsmetingen werd voor het eerst uitgedrukt in 1879 door de Britse natuurkundige William Thomson. Deze wetenschapper stelde voor waterstof te gebruiken als emitter van resonatoratomen. De eerste pogingen om het idee in de praktijk te brengen, werden pas in de jaren veertig ondernomen. twintigste eeuw. De eerste werkende atoomklok ter wereld verscheen in 1955 in Groot-Brittannië. Hun schepper was de Britse experimenteel natuurkundige Dr. Louis Essen. Deze klokken werkten op basis van trillingen van cesium-133-atomen, en dankzij hen konden wetenschappers eindelijk de tijd meten met veel grotere nauwkeurigheid dan voorheen. Het eerste apparaat van Essen liet een fout toe van niet meer dan een seconde per honderd jaar, maar werd vervolgens vele malen groter en de fout per seconde kan zich slechts in 2-3 honderd miljoen jaar ophopen.

Atoomklok: werkingsprincipe

Hoe werkt dit slimme ‘apparaat’? Atoomklokken gebruiken moleculen of atomen op kwantumniveau als resonante frequentiegenerator. legt een verband tussen het “atoomkern-elektronen”-systeem en verschillende discrete energieniveaus. Als een dergelijk systeem met een strikt gespecificeerde frequentie wordt beïnvloed, dan zal dit systeem overgaan van laag niveau te hoog. Het is ook mogelijk omgekeerd proces: overgang van een atoom naar meer hoog niveau te laag, wat gepaard gaat met energie-emissie. Deze verschijnselen kunnen worden gecontroleerd en alle energiesprongen kunnen worden geregistreerd door zoiets als een oscillerend circuit te creëren (ook wel een atomaire oscillator genoemd). De resonantiefrequentie zal overeenkomen met het energieverschil tussen aangrenzende atomaire overgangsniveaus, gedeeld door de constante van Planck.

Een dergelijk oscillerend circuit heeft onmiskenbare voordelen ten opzichte van zijn mechanische en astronomische voorgangers. Voor zo'n atomaire oscillator zal de resonantiefrequentie van de atomen van welke stof dan ook hetzelfde zijn, wat niet gezegd kan worden over slingers en piëzokristallen. Bovendien veranderen atomen hun eigenschappen niet in de loop van de tijd en verslijten ze niet. Daarom zijn atoomklokken uiterst nauwkeurige en vrijwel eeuwigdurende chronometers.

Nauwkeurige tijd en moderne technologieën

Telecommunicatienetwerken, satellietcommunicatie, GPS, NTP-servers, elektronische transacties op de beurs, internetveilingen, de procedure voor het kopen van kaartjes via internet - al deze en vele andere verschijnselen zijn al lang stevig verankerd in ons leven. Maar als de mensheid geen atoomklokken had uitgevonden, zou dit allemaal eenvoudigweg niet zijn gebeurd. Nauwkeurige tijd, waarmee u door synchronisatie eventuele fouten, vertragingen en vertragingen kunt minimaliseren, stelt een persoon in staat het beste te halen uit deze onschatbare onvervangbare hulpbron, waarvan er nooit teveel is.

Er heeft zich een sensatie verspreid over de wetenschappelijke wereld: de tijd verdampt uit ons universum! Tot nu toe is dit slechts een hypothese van Spaanse astrofysici. Maar het feit dat de tijdstroom op aarde en in de ruimte anders is, is al door wetenschappers bewezen. De tijd stroomt langzamer onder invloed van de zwaartekracht en versnelt naarmate deze zich van de planeet verwijdert. De taak van het synchroniseren van het aardse en kosmische tijd waterstoffrequentienormen uit te voeren, ook wel “atoomklokken” genoemd.

De eerste atoomtijd verscheen samen met de opkomst van de ruimtevaart; atoomklokken verschenen halverwege de jaren twintig. Tegenwoordig zijn atoomklokken een alledaags iets geworden; ieder van ons gebruikt ze elke dag: digitale communicatie, GLONASS, navigatie en transport werken met hun hulp.

Eigenaren mobieltjes ze denken nauwelijks na over het complexe werk dat in de ruimte wordt uitgevoerd voor strikte tijdsynchronisatie, en toch hebben we het over slechts miljoensten van een seconde.

De exacte tijdstandaard wordt opgeslagen in de regio Moskou, in Wetenschappelijk Instituut fysisch-technische en radiotechnische metingen. Er zijn 450 van dergelijke horloges in de wereld.

Rusland en de VS hebben monopolies op atoomklokken, maar in de VS werken klokken op basis van cesium, een radioactief metaal dat zeer schadelijk is voor het milieu, en in Rusland op basis van waterstof, een veiliger, duurzaam materiaal.

Dit horloge heeft geen wijzerplaat of wijzers: het ziet eruit als een groot vat zeldzame en waardevolle metalen, gevuld met de meest geavanceerde technologieën: uiterst nauwkeurige meetinstrumenten en apparatuur met atomaire standaarden. Het proces van hun creatie is erg lang, complex en vindt plaats in omstandigheden van absolute onvruchtbaarheid.

De klok die op de Russische satelliet is geïnstalleerd, bestudeert al vier jaar donkere energie. Naar menselijke maatstaven verliezen ze gedurende vele miljoenen jaren hun nauwkeurigheid met 1 seconde.

Zeer binnenkort zullen er atoomklokken worden geïnstalleerd op Spektr-M – een ruimteobservatorium dat zal zien hoe sterren en exoplaneten worden gevormd, en verder kijken dan de rand zwart gat in het centrum van onze Melkweg. Volgens wetenschappers stroomt de tijd hier vanwege de monsterlijke zwaartekracht zo langzaam dat hij bijna stopt.

tvroscosmos

Welke “horlogemakers” hebben dit uiterst nauwkeurige mechanisme uitgevonden en geperfectioneerd? Is er een vervanger voor hem? Laten we proberen het uit te zoeken.

In 2012 viert de atoomtijdwaarneming zijn vijfenveertigste verjaardag. In 1967 begon de categorie van tijd in het Internationale Stelsel van Eenheden niet te worden bepaald door astronomische schalen, maar door de cesiumfrequentiestandaard. Dit is wat de gewone mensen de atoomklok noemen.

Wat is het werkingsprincipe van atomaire oscillatoren? Deze ‘apparaten’ gebruiken kwantumenergieniveaus van atomen of moleculen als bron van resonantiefrequentie. De kwantummechanica verbindt verschillende afzonderlijke energieniveaus met het “atoomkern-elektronen”-systeem. Een elektromagnetisch veld met een bepaalde frequentie kan een overgang van dit systeem van een laag naar een hoger niveau veroorzaken. Het tegenovergestelde fenomeen is ook mogelijk: een atoom kan van een hoog energieniveau naar een lager energieniveau gaan door energie uit te zenden. Beide verschijnselen kunnen worden gecontroleerd en deze sprongen tussen de energieniveaus kunnen worden geregistreerd, waardoor de gelijkenis van een oscillerend circuit ontstaat. De resonantiefrequentie van dit circuit zal gelijk zijn aan het energieverschil tussen de twee overgangsniveaus gedeeld door de constante van Planck.

De resulterende atomaire oscillator heeft ongetwijfeld voordelen ten opzichte van zijn astronomische en mechanische voorgangers. De resonantiefrequentie van alle atomen van de voor de oscillator gekozen substantie zal, in tegenstelling tot slingers en piëzokristallen, hetzelfde zijn. Bovendien verslijten atomen niet en veranderen hun eigenschappen niet in de loop van de tijd. Ideaal voor een vrijwel eeuwige en uiterst nauwkeurige chronometer.

Voor het eerst werd in 1879 de mogelijkheid overwogen om energietransities tussen niveaus in atomen als frequentiestandaard te gebruiken door de Britse natuurkundige William Thomson, beter bekend als Lord Kelvin. Hij stelde voor waterstof te gebruiken als bron van resonatoratomen. Zijn onderzoek was echter nogal theoretisch van aard. De wetenschap was destijds nog niet klaar om een ​​atomaire chronometer te ontwikkelen.

Het duurde bijna honderd jaar voordat Lord Kelvins idee werkelijkheid werd. Het heeft lang geduurd, maar de taak was niet gemakkelijk. Het transformeren van atomen in ideale slingers bleek in de praktijk lastiger dan in theorie. De moeilijkheid lag in de strijd met de zogenaamde resonante breedte: een kleine fluctuatie in de frequentie van absorptie en emissie van energie terwijl atomen van niveau naar niveau bewegen. De verhouding tussen de resonantiefrequentie en de resonantiebreedte bepaalt de kwaliteit van de atomaire oscillator. Het is duidelijk dat hoe groter de waarde van de resonantiebreedte is, hoe lager de kwaliteit van de atoomslinger. Helaas is het niet mogelijk om de resonantiefrequentie te verhogen om de kwaliteit te verbeteren. Het is constant voor de atomen van elke specifieke stof. Maar de resonantiebreedte kan worden verkleind door de observatietijd van atomen te vergroten.

Technisch gezien kan dit als volgt worden bereikt: laat een externe, bijvoorbeeld kwarts, oscillator periodiek elektromagnetische straling opwekken, waardoor de atomen van de donorstof over energieniveaus heen springen. In dit geval is het de taak van de atomaire chronograaftuner om de frequentie van deze kwartsoscillator zo dicht mogelijk bij de resonantiefrequentie van de interniveau-overgang van atomen te brengen. Dit wordt mogelijk in het geval van een voldoende lange periode van observatie van atomaire trillingen en de schepping feedback, die de kwartsfrequentie regelt.

Toegegeven, naast het probleem van het verkleinen van de resonantiebreedte in een atomaire chronograaf zijn er nog veel andere problemen. Dit is het Doppler-effect: een verschuiving in de resonantiefrequentie als gevolg van de beweging van atomen en onderlinge botsingen van atomen, waardoor ongeplande energietransities en zelfs de invloed van de doordringende energie van donkere materie worden veroorzaakt.

Eerste keer proberen praktische uitvoering De atoomklok werd in de jaren dertig van de vorige eeuw ondernomen door wetenschappers van Columbia University onder leiding van de toekomst Nobel laureaat Dr. Isidor Rabi. Rabi stelde voor om de cesiumisotoop 133 Cs te gebruiken als bron van slingeratomen. Helaas werd Rabi's werk, dat de NBS enorm interesseerde, onderbroken door de Tweede Wereldoorlog.

Na voltooiing ging de leiding bij de implementatie van de atoomchronograaf over op NBS-medewerker Harold Lyons. Zijn atomaire oscillator werkte op ammoniak en gaf een fout die vergelijkbaar was met de beste voorbeelden van kwartsresonatoren. In 1949 werd de ammoniak-atoomklok aan het grote publiek gedemonstreerd. Ondanks de nogal middelmatige nauwkeurigheid implementeerden ze de basisprincipes van toekomstige generaties atoomchronografen.

Het prototype van een cesium-atoomklok, verkregen door Louis Essen, leverde een nauwkeurigheid van 1 * 10 -9 op, terwijl het een resonantiebreedte had van slechts 340 Hertz

Even later verbeterde Norman Ramsey, professor aan de Harvard Universiteit, de ideeën van Isidor Rabi, waardoor de impact van het Doppler-effect op de nauwkeurigheid van metingen werd verminderd. Hij stelde voor om, in plaats van één lange hoogfrequente puls die atomen opwekt, twee korte te gebruiken die op enige afstand van elkaar naar de armen van de golfgeleider worden gestuurd. Dit maakte het mogelijk om de resonantiebreedte scherp te verkleinen en maakte het feitelijk mogelijk om atomaire oscillatoren te creëren die qua nauwkeurigheid een orde van grootte superieur zijn aan hun kwartsvoorouders.

In de jaren vijftig van de vorige eeuw werkte medewerker Louis Essen, gebaseerd op het door Norman Ramsey voorgestelde schema van het National Physical Laboratory (VK), aan een atomaire oscillator gebaseerd op de cesiumisotoop 133 Cs die eerder door Rabi was voorgesteld. Cesium is niet toevallig gekozen.

Schema van hyperfijne overgangsniveaus van atomen van de cesium-133-isotoop

Cesiumatomen behoren tot de groep van alkalimetalen en zijn extreem gemakkelijk opgewonden om tussen energieniveaus te springen. Een lichtstraal kan bijvoorbeeld gemakkelijk een stroom elektronen uit de atomaire structuur van cesium uitschakelen. Het is vanwege deze eigenschap dat cesium veel wordt gebruikt in fotodetectoren.

Ontwerp van een klassieke cesiumoscillator op basis van een Ramsey-golfgeleider

Eerste officiële cesiumfrequentiestandaard NBS-1

Afstammeling van NBS-1 - de NIST-7-oscillator gebruikte laserpompen van een straal cesiumatomen

Voordat het Essen-prototype een echte standaard werd, was er meer dan nodig vier jaar. Een nauwkeurige aanpassing van atoomklokken was immers alleen mogelijk door vergelijking met bestaande efemeride tijdseenheden. In de loop van vier jaar werd de atomaire oscillator gekalibreerd door de rotatie van de maan rond de aarde te observeren met behulp van een precisiemaancamera, uitgevonden door William Markowitz van het US Naval Observatory.

De "aanpassing" van atoomklokken aan maan-efemeride werd uitgevoerd van 1955 tot 1958, waarna het apparaat officieel door de NBS werd erkend als frequentiestandaard. Bovendien was de ongekende nauwkeurigheid van cesium-atoomklokken voor NBS aanleiding om de tijdseenheid in de SI-standaard te wijzigen. Sinds 1958 is de tweede officieel aangenomen als “de duur van 9.192.631.770 stralingsperioden die overeenkomen met de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van de standaardtoestand van een atoom van de cesium-133-isotoop.”

Het apparaat van Louis Essen heette NBS-1 en werd beschouwd als de eerste cesiumfrequentiestandaard.

In de daaropvolgende dertig jaar werden zes modificaties van NBS-1 ontwikkeld, waarvan de laatste, NIST-7, gemaakt in 1993 door magneten te vervangen door laservallen, een nauwkeurigheid biedt van 5 * 10 -15 met een resonantiebreedte van slechts zestig -twee Hertz.

Vergelijkingstabel met kenmerken van cesiumfrequentiestandaarden gebruikt door NBS

NBS-apparaten zijn stationaire standaards, waardoor ze kunnen worden geclassificeerd als standaarden in plaats van als praktisch gebruikte oscillatoren. Maar voor puur praktische doeleinden werkte Hewlett-Packard ten behoeve van de cesiumfrequentiestandaard. In 1964 creëerde de toekomstige computergigant een compacte versie van de cesiumfrequentiestandaard: het HP 5060A-apparaat.

De HP 5060-frequentiestandaarden, gekalibreerd volgens NBS-standaarden, passen in een typisch radioapparatuurrek en waren een commercieel succes. Het was dankzij de cesiumfrequentiestandaard van Hewlett-Packard dat de ongekende nauwkeurigheid van atoomklokken wijdverspreid werd.

Hewlett-Packard 5060A.

Als gevolg hiervan werden zaken als satelliettelevisie en -communicatie, mondiale navigatiesystemen en tijdsynchronisatiediensten voor informatienetwerken mogelijk. Er zijn veel toepassingen geweest voor de geïndustrialiseerde atomaire chronograaftechnologie. Tegelijkertijd bleef Hewlett-Packard daar niet bij en verbetert voortdurend de kwaliteit van de cesiumstandaarden en hun gewicht en afmetingen.

Hewlett-Packard-familie van atoomklokken

In 2005 werd de atoomklokdivisie van Hewlett-Packard verkocht aan Simmetricom.

Samen met cesium, waarvan de reserves in de natuur zeer beperkt zijn en de vraag ernaar op verschillende technologische gebieden extreem hoog is, werd rubidium, waarvan de eigenschappen zeer dicht bij cesium liggen, als donorstof gebruikt.

Het lijkt erop dat, bestaande regeling atoomklokken zijn tot in de perfectie gebracht. Ondertussen had het een vervelend nadeel, waarvan de eliminatie mogelijk werd in de tweede generatie cesiumfrequentiestandaarden, de zogenaamde cesiumfonteinen.

Fonteinen van de tijd en optische melasse

Ondanks de hoogste nauwkeurigheid van de NIST-7 atomaire chronometer, die gebruik maakt van laserdetectie van de toestand van cesiumatomen, verschilt het ontwerp niet fundamenteel van de ontwerpen van de eerste versies van cesiumfrequentiestandaarden.

Een ontwerpnadeel van al deze schema's is dat het fundamenteel onmogelijk is om de voortplantingssnelheid van een bundel cesiumatomen die in een golfgeleider beweegt te controleren. En dit ondanks het feit dat de bewegingssnelheid van cesiumatomen bij kamertemperatuur honderd meter per seconde bedraagt. Heel snel.

Dat is de reden waarom alle wijzigingen van cesiumstandaarden een zoektocht zijn naar een evenwicht tussen de grootte van de golfgeleider, die de tijd heeft om snelle cesiumatomen op twee punten te beïnvloeden, en de nauwkeurigheid van het detecteren van de resultaten van deze invloed. Hoe kleiner de golfgeleider, hoe moeilijker het is om opeenvolgende elektromagnetische pulsen te maken die dezelfde atomen beïnvloeden.

Wat als we een manier vinden om de snelheid van cesiumatomen te verminderen? Het was dit idee dat MIT-student Jerol Zacharius bezighield, die eind jaren veertig van de vorige eeuw de invloed van de zwaartekracht op het gedrag van atomen bestudeerde. Later, betrokken bij de ontwikkeling van een variant van de cesiumfrequentiestandaard Atomichron, stelde Zacharius het idee voor van een cesiumfontein - een methode om de snelheid van cesiumatomen terug te brengen tot één centimeter per seconde en zich te ontdoen van de dubbelarmige golfgeleider van traditionele atomaire oscillatoren.

Het idee van Zacharius was eenvoudig. Wat als je cesiumatomen verticaal in een oscillator zou afvuren? Dan zullen dezelfde atomen twee keer door de detector gaan: één keer tijdens hun reis naar boven, en opnieuw naar beneden, waar ze zich onder invloed van de zwaartekracht zullen haasten. In dit geval zal de neerwaartse beweging van atomen aanzienlijk langzamer zijn dan hun start, omdat ze tijdens hun reis in de fontein energie zullen verliezen. Helaas kon Zacharius in de jaren vijftig van de vorige eeuw zijn ideeën niet verwezenlijken. In zijn experimentele opstelling hadden atomen die naar boven bewogen een wisselwerking met atomen die naar beneden vielen, wat de nauwkeurigheid van de detectie in de war bracht.

Het idee van Zacharius kwam pas in de jaren tachtig terug. Wetenschappers van Stanford University, onder leiding van Steven Chu, hebben een manier gevonden om de Zacharius-fontein te realiseren met behulp van een methode die zij 'optische melasse' noemen.

In de Chu-cesiumfontein wordt een wolk van omhooggeschoten cesiumatomen voorgekoeld door een systeem van drie paar tegengestelde lasers met een resonantiefrequentie net onder de optische resonantie van de cesiumatomen.

Schema van een cesiumfontein met optische melasse.

De lasergekoelde cesiumatomen beginnen langzaam te bewegen, alsof ze door melasse gaan. Hun snelheid daalt tot drie meter per seconde. Het verminderen van de snelheid van atomen geeft onderzoekers de mogelijkheid om toestanden nauwkeuriger te detecteren (je moet toegeven dat het veel gemakkelijker is om de kentekenplaten van een auto te zien die met een snelheid van één kilometer per uur rijdt dan van een auto die met een snelheid van honderd kilometer per uur rijdt). kilometers per uur).

Een bal van gekoelde cesiumatomen wordt ongeveer een meter omhoog gelanceerd en passeert onderweg een golfgeleider, waardoor de atomen worden blootgesteld aan een elektromagnetisch veld met een resonantiefrequentie. En de detector van het systeem registreert voor het eerst de verandering in de toestand van atomen. Nadat ze het “plafond” hebben bereikt, beginnen de afgekoelde atomen door de zwaartekracht te vallen en gaan ze voor de tweede keer door de golfgeleider. Op de terugweg registreert de detector opnieuw hun toestand. Omdat de atomen extreem langzaam bewegen, is hun vlucht in de vorm van een vrij dichte wolk gemakkelijk te controleren, wat betekent dat er in de fontein niet tegelijkertijd atomen op en neer zullen vliegen.

De cesiumfonteinfaciliteit van Chu werd in 1998 door de NBS als frequentiestandaard aangenomen en kreeg de naam NIST-F1. De fout was 4 * 10 -16, wat betekent dat NIST-F1 nauwkeuriger was dan zijn voorganger NIST-7.

In feite bereikte NIST-F1 de grens van nauwkeurigheid bij het meten van de toestand van cesiumatomen. Maar wetenschappers stopten niet bij deze overwinning. Ze besloten de fout te elimineren die straling van zwarte lichamen introduceert in de werking van atoomklokken - het resultaat van de interactie van cesiumatomen met de thermische straling van het lichaam van de installatie waarin ze bewegen. De nieuwe NIST-F2 atoomchronograaf plaatste een cesiumfontein in een cryogene kamer, waardoor de straling van zwarte lichamen tot bijna nul werd teruggebracht. De NIST-F2-fout is een ongelooflijke 3*10 -17.

Grafiek van foutreductie van standaardopties voor cesiumfrequentie

Momenteel bieden atoomklokken gebaseerd op cesiumfonteinen de mensheid de meest nauwkeurige tijdstandaard, ten opzichte waarvan de hartslag van onze technogene beschaving klopt. Dankzij technische trucs werden de gepulseerde waterstofmasers die cesiumatomen afkoelen in de stationaire versies van NIST-F1 en NIST-F2 vervangen door een conventionele laserstraal, in combinatie met een magneto-optisch systeem. Dit maakte het mogelijk om compacte en zeer stabiele constructies te creëren. externe invloeden varianten van NIST-Fx-standaarden die in ruimtevaartuigen kunnen werken. Deze frequentiestandaarden, heel fantasierijk "Aerospace Cold Atom Clock" genoemd, worden geïnstalleerd in de satellieten van navigatiesystemen zoals GPS, wat zorgt voor hun verbazingwekkende synchronisatie om het probleem van de zeer nauwkeurige berekening van de coördinaten van de GPS-ontvangers die in onze gadgets worden gebruikt op te lossen.

Een compacte versie van de atoomklok van de cesiumfontein, genaamd de "Aerospace Cold Atom Clock", wordt gebruikt in GPS-satellieten

De tijdreferentieberekening wordt uitgevoerd door een "ensemble" van tien NIST-F2's, gevestigd in verschillende onderzoekscentra die samenwerken met de NBS. De exacte waarde van de atoomseconde wordt collectief verkregen, waardoor verschillende fouten en de invloed van de menselijke factor worden geëlimineerd.

Het is echter mogelijk dat op een dag de cesiumfrequentiestandaard door onze nakomelingen zal worden ervaren als een zeer grof mechanisme om de tijd te meten, net zoals we nu neerbuigend kijken naar de bewegingen van de slinger in de mechanische staande klokken van onze voorouders.

We horen vaak de uitdrukking die atoomklokken altijd laten zien exacte tijd. Maar uit hun naam is het moeilijk te begrijpen waarom atoomklokken het meest nauwkeurig zijn of hoe ze werken.

Het feit dat de naam het woord ‘atomic’ bevat, betekent niet dat het horloge een gevaar voor het leven vormt, zelfs als gedachten aan atoombom of kerncentrale. In dit geval hebben we het alleen over het werkingsprincipe van het horloge. Als in een gewoon mechanisch horloge de oscillerende bewegingen worden uitgevoerd door tandwielen en hun bewegingen worden geteld, dan worden in een atoomklok de oscillaties van elektronen in atomen geteld. Laten we, om het werkingsprincipe beter te begrijpen, de fysica van elementaire deeltjes onthouden.

Alle stoffen in onze wereld zijn gemaakt van atomen. Atomen bestaan ​​uit protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen combineren met elkaar om een ​​kern te vormen, die ook wel een nucleon wordt genoemd. Elektronen bewegen rond de kern, die zich op verschillende energieniveaus kunnen bevinden. Het meest interessante is dat een elektron bij het absorberen of vrijgeven van energie van zijn energieniveau naar een hoger of lager energieniveau kan gaan. Een elektron kan energie verkrijgen uit elektromagnetische straling, waarbij hij bij elke overgang elektromagnetische straling van een bepaalde frequentie absorbeert of uitzendt.

Meestal zijn er horloges waarin atomen van het element Cesium -133 worden gebruikt voor verandering. Als in 1 seconde de slinger normaal horloge maakt 1 oscillerende beweging, dan de elektronen bij atoomklokken gebaseerd op Cesium-133 zenden ze bij de overgang van het ene energieniveau naar het andere elektromagnetische straling uit met een frequentie van 9192631770 Hz. Het blijkt dat één seconde in precies dit aantal intervallen is verdeeld als deze wordt berekend in atoomklokken. Deze waarde werd in 1967 officieel door de internationale gemeenschap aangenomen. Stel je een enorme wijzerplaat voor met niet 60, maar 9192631770 divisies, die slechts 1 seconde uitmaken. Het is niet verrassend dat atoomklokken zo nauwkeurig zijn en een aantal voordelen hebben: atomen zijn niet onderhevig aan veroudering, verslijten niet en de oscillatiefrequentie zal altijd hetzelfde zijn voor één chemisch element, waardoor het mogelijk is om vergelijk bijvoorbeeld synchroon de metingen van atoomklokken ver in de ruimte en op aarde, zonder angst voor fouten.

Dankzij atoomklokken kon de mensheid de juistheid van de relativiteitstheorie in de praktijk testen en ervoor zorgen dat deze beter is dan op aarde. Atoomklokken worden op veel satellieten en ruimtevaartuigen geïnstalleerd en worden gebruikt voor telecommunicatiebehoeften mobiele communicatie, worden ze gebruikt om de exacte tijd op de hele planeet te vergelijken. Zonder overdrijving was het dankzij de uitvinding van de atoomklokken dat de mensheid het tijdperk van de geavanceerde technologie kon betreden.

Hoe werken atoomklokken?

Cesium-133 wordt verwarmd door cesiumatomen te verdampen, die door een magnetisch veld worden geleid, waar atomen met de gewenste energietoestanden worden geselecteerd.

De geselecteerde atomen gaan vervolgens door een magnetisch veld met een frequentie dichtbij 9192631770 Hz, dat wordt gecreëerd door een kwartsoscillator. Onder invloed van het veld veranderen cesiumatomen opnieuw van energietoestand en vallen op een detector, die registreert wanneer grootste aantal de binnenkomende atomen zullen de “juiste” energietoestand hebben. Maximaal aantal atomen met een veranderde energietoestand geven aan dat de frequentie van het microgolfveld correct is geselecteerd, en vervolgens wordt de waarde ervan in een elektronisch apparaat ingevoerd - een frequentiedeler, die, door de frequentie met een geheel aantal keren te verminderen, het getal 1 ontvangt, dat is de referentieseconde.

Cesiumatomen worden dus gebruikt om de juiste frequentie van het magnetische veld dat door de kristaloscillator wordt geproduceerd te controleren, waardoor deze op een constante waarde wordt gehouden.

Dit is interessant: Hoewel de huidige atoomklokken ongekend nauwkeurig zijn en miljoenen jaren foutloos kunnen blijven lopen, zullen natuurkundigen het daar niet bij laten. Het gebruik van atomen van verschillende chemische elementen werken ze voortdurend aan het verbeteren van de nauwkeurigheid van atoomklokken. Een van de nieuwste uitvindingen is de atoomklok strontium, die drie keer nauwkeuriger zijn dan hun cesium-tegenhanger. Om slechts een seconde achter te blijven, hebben ze 15 miljard jaar nodig - tijd die de leeftijd van ons heelal overschrijdt...

Als u een fout tegenkomt, markeer dan een stuk tekst en klik Ctrl+Enter.

Isidor Rabi, hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University, heeft een nog nooit eerder vertoond project voorgesteld: een klok die werkt volgens het principe van een atomaire straal van magnetische resonantie. Dit gebeurde in 1945 en al in 1949 bracht het National Bureau of Standards het eerste werkende prototype uit. Het las de trillingen van het ammoniakmolecuul. Cesium kwam pas veel later in gebruik: het NBS-1-model verscheen pas in 1952.

Het National Physical Laboratory in Engeland creëerde in 1955 de eerste cesiumbundelklok. Ruim tien jaar later, tijdens de Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen, werd een geavanceerdere klok gepresenteerd, eveneens gebaseerd op trillingen in het cesiumatoom. Model NBS-4 werd gebruikt tot 1990.

Soorten horloges

Op dit moment Er zijn drie soorten atoomklokken, die volgens ongeveer hetzelfde principe werken. Cesiumklokken, de meest nauwkeurige, scheiden het cesiumatoom magnetisch veld. De eenvoudigste atoomklok, de rubidiumklok, maakt gebruik van rubidiumgas ingesloten in een glazen bol. En ten slotte neemt de waterstofatoomklok als referentiepunt waterstofatomen, opgesloten in een omhulsel van een speciaal materiaal - het voorkomt dat de atomen snel energie verliezen.

Hoe laat is het nu

In 1999 stelde het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) een nog geavanceerdere versie van de atoomklok voor. Het NIST-F1-model houdt rekening met een fout van slechts één seconde per twintig miljoen jaar.

Het meest accuraat

Maar de natuurkundigen van NIST stopten daar niet. Wetenschappers besloten een nieuwe chronometer te ontwikkelen, dit keer gebaseerd op strontiumatomen. De nieuwe klok werkt op 60% van het vorige model, wat betekent dat hij niet over twintig miljoen jaar één seconde verliest, maar over maar liefst vijf miljard jaar.

Meet tijd

Internationale overeenstemming heeft de enige precieze frequentie voor de resonantie van een cesiumdeeltje bepaald. Dit is 9.192.631.770 hertz - het delen van het uitgangssignaal door dit getal komt overeen met precies één cyclus per seconde.