Hvordan atomklokker fungerer (5 bilder). Den mest nøyaktige klokken i verden - kvante

Når lyset plutselig slukker og kommer på igjen litt senere, hvordan vet du når du skal stille klokken? Ja, jeg snakker om elektronisk klokke, som nok mange av oss har. Har du noen gang tenkt på hvordan tiden reguleres? I denne artikkelen vil vi lære alt om atomklokken og hvordan den får hele verden til å tikke.

Er atomklokker radioaktive?

Atomklokker forteller tiden bedre enn noen annen klokke. De viser tiden bedre enn jordens rotasjon og stjernenes bevegelse. Uten atomklokker ville GPS-navigasjon vært umulig, Internett ville ikke vært synkronisert, og posisjonene til planetene ville ikke vært kjent med tilstrekkelig nøyaktighet for romsonder og kjøretøy.

Atomklokker er ikke radioaktive. De er ikke avhengige av atomfisjon. Dessuten har den en fjær, akkurat som en vanlig klokke. Den største forskjellen mellom en standardklokke og en atomklokke er at oscillasjoner i en atomklokke oppstår i kjernen til et atom mellom elektronene som omgir den. Disse svingningene er neppe parallelle med balansehjulet på en svingete klokke, men begge typer oscillasjoner kan brukes til å spore tidens gang. Frekvensen av vibrasjoner i et atom bestemmes av massen til kjernen, tyngdekraften og den elektrostatiske "fjæren" mellom den positive ladningen til kjernen og skyen av elektroner rundt den.

Hvilke typer atomklokker kjenner vi til?

I dag er det ulike typer atomklokker, men de er bygget etter de samme prinsippene. Hovedforskjellen er knyttet til elementet og midlene for å oppdage endringer i energinivåer. Mellom ulike typer Det er følgende atomklokker:

• Cesium atomklokker som bruker stråler av cesiumatomer. Klokken skiller cesiumatomer med forskjellige energinivåer ved hjelp av et magnetfelt.
• En hydrogenatomklokke holder hydrogenatomer på ønsket energinivå i en beholder hvis vegger er laget av spesielt materiale, slik at atomene ikke mister sin høyenergitilstand for raskt.
• Rubidium atomklokker, de enkleste og mest kompakte av alle, bruker en glasscelle som inneholder rubidiumgass.

De mest nøyaktige atomklokkene i dag bruker et cesiumatom og et konvensjonelt magnetfelt med detektorer. I tillegg er cesiumatomene innesluttet av laserstrålene, noe som reduserer små frekvensendringer på grunn av Doppler-effekten.

Hvordan fungerer cesiumbaserte atomklokker?

Atomer har en karakteristisk vibrasjonsfrekvens. Et kjent eksempel på frekvens er den oransje gløden av natrium i bordsalt hvis den kastes i ilden. Et atom har mange forskjellige frekvenser, noen i radioområdet, noen i det synlige spekteret, og noen i mellom. Cesium-133 er oftest valgt for atomklokker.

For å få cesiumatomene til å resonere i en atomklokke, må en av overgangene, eller resonansfrekvensen, måles nøyaktig. Dette gjøres vanligvis ved å låse en krystalloscillator inn i den grunnleggende mikrobølgeresonansen til cesiumatomet. Dette signalet er i mikrobølgeområdet til radiofrekvensspekteret og har samme frekvens som direktesendte satellittsignaler. Ingeniører vet hvordan de skal lage utstyr for denne spektrumregionen, i detalj.

For å lage en klokke, varmes cesium først opp slik at atomene fordampes og føres gjennom et høyvakuumrør. De går først gjennom et magnetfelt, som velger ut atomer med ønsket energitilstand; de passerer deretter gjennom et intenst mikrobølgefelt. Frekvensen til mikrobølgeenergi hopper frem og tilbake over et smalt frekvensområde slik at den på et bestemt tidspunkt når en frekvens på 9 192 631 770 hertz (Hz, eller sykluser per sekund). Rekkevidden til mikrobølgeoscillatoren er allerede nær denne frekvensen fordi den produseres av en presis krystalloscillator. Når et cesiumatom mottar mikrobølgeenergi med ønsket frekvens, endrer det sin energitilstand.

På enden av røret skiller et annet magnetfelt atomer som har endret energitilstand hvis mikrobølgefeltet var av riktig frekvens. Detektoren i enden av røret produserer et utgangssignal proporsjonalt med antall cesiumatomer som treffer det, og topper når mikrobølgefrekvensen er tilstrekkelig korrekt. Dette toppsignalet er nødvendig for korreksjon for å bringe krystalloscillatoren, og dermed mikrobølgefeltet, til ønsket frekvens. Denne blokkerte frekvensen blir deretter delt med 9 192 631 770 for å gi den velkjente en puls per sekund som den virkelige verden trenger.

Når ble atomklokken oppfunnet?

I 1945 foreslo fysikkprofessor Isidor Rabi ved Columbia University en klokke som kunne lages basert på teknikker utviklet på 1930-tallet. Det ble kalt atomstrålemagnetisk resonans. I 1949 kunngjorde National Bureau of Standards etableringen av verdens første atomklokke basert på ammoniakkmolekylet, hvis vibrasjoner ble lest, og i 1952 skapte det verdens første atomklokke basert på cesiumatomer, NBS-1.

I 1955 bygde National Physical Laboratory i England den første klokken med en cesiumstråle som kalibreringskilde. I løpet av det neste tiåret ble det laget mer avanserte klokker. I 1967, under den 13. generalkonferansen om vekter og mål, ble SI-sekunderet bestemt basert på vibrasjoner i cesiumatomet. Det fantes ikke noe tidtakingssystem i verden mer presise definisjoner enn dette. NBS-4, verdens mest stabile cesiumklokke, ble ferdigstilt i 1968 og var i bruk til 1990.

Atomklokker er de mest nøyaktige tidsmålingsinstrumentene som finnes i dag og blir stadig flere høyere verdi med utvikling og kompleksitet moderne teknologier.

Driftsprinsipp

Atomklokker holder nøyaktig tid, ikke på grunn av radioaktivt forfall, som navnet antyder, men ved å bruke vibrasjoner av kjerner og elektronene som omgir dem. Frekvensen deres bestemmes av massen til kjernen, tyngdekraften og den elektrostatiske "balanseren" mellom den positivt ladede kjernen og elektronene. Dette samsvarer ikke helt med et vanlig urverk. Atomklokker er mer pålitelige tidsholdere fordi svingningene deres ikke endres avhengig av slike faktorer miljø, som fuktighet, temperatur eller trykk.

Evolusjon av atomklokker

Gjennom årene har forskere innsett at atomer har resonansfrekvenser knyttet til hver sin evne til å absorbere og sende ut elektromagnetisk stråling. På 1930- og 1940-tallet ble det utviklet høyfrekvent kommunikasjons- og radarutstyr som kunne kommunisere med resonansfrekvensene til atomer og molekyler. Dette bidro til ideen om en klokke.

De første eksemplene ble bygget i 1949 av National Institute of Standards and Technology (NIST). Ammoniakk ble brukt som vibrasjonskilde. De var imidlertid ikke mye mer nøyaktige enn den eksisterende tidsstandarden, og cesium ble brukt i neste generasjon.

Ny standard

Endringen i presisjon av tidsmåling var så stor at i 1967 definerte General Conference on Weights and Measures SI-sekunderet som 9 192 631 770 vibrasjoner av et cesiumatom ved dets resonansfrekvens. Dette betydde at tiden ikke lenger var relatert til jordens bevegelse. Verdens mest stabile atomklokke ble opprettet i 1968 og ble brukt som en del av NIST tidtakingssystem frem til 1990-tallet.

Forbedringsbil

En av de siste fremskrittene på dette området er laserkjøling. Dette forbedret signal-til-støy-forholdet og reduserte usikkerheten i klokkesignalet. Å huse dette kjølesystemet og annet utstyr som brukes til å forbedre cesiumklokker vil kreve plass på størrelse med en jernbanevogn, selv om kommersielle versjoner kan passe i en koffert. En av disse laboratorieinstallasjoner holder tiden i Boulder, Colorado, og er den mest nøyaktige klokken på jorden. De tar bare feil med 2 nanosekunder per dag, eller 1 sekund per 1,4 millioner år.

Kompleks teknologi

Denne enorme presisjonen er et resultat av kompleks teknologisk prosess. Først plasseres flytende cesium i en ovn og varmes opp til det blir til en gass. Metallatomene kommer ut i høy hastighet gjennom en liten åpning i ovnen. Elektromagneter får dem til å splittes i separate stråler med forskjellige energier. Den nødvendige strålen går gjennom et U-formet hull, og atomene bestråles med mikrobølgeenergi med en frekvens på 9 192 631 770 Hz. Takket være dette er de begeistret og beveger seg inn i en annen energitilstand. Magnetfeltet filtrerer deretter ut andre energitilstander til atomene.

Detektoren reagerer på cesium og viser et maksimum kl riktig verdi frekvenser. Dette er nødvendig for å konfigurere kvartsoscillatoren som styrer klokkemekanismen. Å dele frekvensen på 9.192.631.770 gir én puls per sekund.

Ikke bare cesium

Selv om de vanligste atomklokkene bruker egenskapene til cesium, finnes det andre typer. De er forskjellige i elementet som brukes og midlene for å bestemme endringer i energinivå. Andre materialer er hydrogen og rubidium. Hydrogen atomklokker fungerer på samme måte som cesiumklokker, men krever en beholder med vegger laget av et spesielt materiale som hindrer atomene i å miste energi for raskt. Rubidium-klokker er de enkleste og mest kompakte. I dem endrer en glasscelle fylt med rubidiumgass absorpsjonen av lys når den utsettes for ultrahøy frekvens.

Hvem trenger nøyaktig tid?

I dag kan tid måles med ekstrem presisjon, men hvorfor er dette viktig? Dette er nødvendig i systemer som f.eks mobiltelefoner, Internett, GPS, flyprogrammer og digital-tv. Ved første øyekast er dette ikke åpenbart.

Et eksempel på hvordan presis tid brukes er i pakkesynkronisering. Tusenvis av telefonsamtaler går gjennom den gjennomsnittlige kommunikasjonslinjen. Dette er bare mulig fordi samtalen ikke overføres fullstendig. Teleselskapet deler den opp i små pakker og hopper til og med over noe av informasjonen. De går deretter gjennom linjen sammen med pakker med andre samtaler og gjenopprettes i den andre enden uten å blande seg. Telefonsentralens klokkesystem kan avgjøre hvilke pakker som tilhører en gitt samtale ved det nøyaktige tidspunktet informasjonen ble sendt.

GPS

En annen implementering av nøyaktig tid er et globalt posisjoneringssystem. Den består av 24 satellitter som overfører deres koordinater og tid. Enhver GPS-mottaker kan koble til dem og sammenligne sendetider. Forskjellen lar brukeren bestemme sin plassering. Hvis disse klokkene ikke var veldig nøyaktige, ville GPS-systemet vært upraktisk og upålitelig.

Grensen for perfeksjon

Med utviklingen av teknologi og atomklokker ble unøyaktighetene i universet merkbare. Jorden beveger seg ujevnt, og forårsaker tilfeldige variasjoner i lengden på år og dager. Tidligere ville disse endringene ha gått ubemerket hen fordi verktøyene for å måle tid var for upresise. Til stor frustrasjon for forskere og vitenskapsmenn må imidlertid tiden for atomklokker justeres for å kompensere for uregelmessigheter virkelige verden. De er fantastiske verktøy som bidrar til å fremme moderne teknologi, men deres fortreffelighet er begrenset av grensene som naturen selv setter.

Dette er enheter for måling av tid, hvis driftsprinsipp er basert på atomfysikk. Takket være eiendommene kjemiske elementer brukt i designet, er feilen på disse klokkene minimal. For eksempel vil enheter basert på thorium-229 ettersle med en tidel av et sekund på omtrent 14 milliarder år.

Hvordan fungerer atomklokker?

Hvis i kvarts klokke Referansefrekvensen for å bestemme den andre er antall vibrasjoner av en kvartskrystall, og i atomære blir det tatt for å være frekvensen av overganger av elektroner i atomene til visse kjemiske elementer fra ett energinivå til et annet.

1 - Elektronisk komponent (brikke)

2 - Atomkilde

3 - Fotodetektor

4 - Overvarmer

5 - Resonanscelle

6 - Bølgeplate

7 - Bunnvarmer

8 - Vertikal emitterende laser

Her er poenget: atomer har elektroner. De har energi. Når de absorberer eller frigjør energi, hopper elektroner fra ett energinivå til et annet, absorberer eller sender ut elektromagnetiske bølger, hvis frekvens alltid er den samme. Dette fenomenet kan kontrolleres: når et atom blir utsatt for mikrobølgestråling, reagerer det med et visst antall vibrasjoner.

Denne egenskapen brukes til å forbedre nøyaktigheten av tidsmålinger. Dermed er det anerkjent at et sekund er varigheten av 9192631770 strålingssykluser. Denne frekvensen tilsvarer overgangen mellom to energinivåer til cesium-133-atomet. Ved å sammenligne oscillasjonsfrekvensen til en kvartsoscillator med overgangsfrekvensen til elementets atomer, registreres de minste avvikene. Hvis det er avvik, justeres kvartsvibrasjonene.

Cesium er ikke det eneste materialet som brukes i atomklokker. Det dukker opp enheter basert på kjemiske elementer som kan gi enda større presisjon: ytterbium, thorium-229, strontium.

Hvorfor er atomklokker nøyaktige?

Vibrasjonsfrekvensen til det kjemiske elementet er den samme, og dette minimerer muligheten for feil. I tillegg, i motsetning til en kvartskrystall, slites ikke atomene ut eller mister sine kjemiske egenskaper over tid.

Andre navn på atomklokker: kvante, molekylær.

En ny drivkraft i utviklingen av enheter for å måle tid ble gitt av atomfysikere.

I 1949 ble den første atomklokken bygget, hvor kilden til svingninger ikke var en pendel eller en kvartsoscillator, men signaler knyttet til kvanteovergangen til et elektron mellom to energinivåer i et atom.

I praksis viste slike klokker seg å være lite nøyaktige, dessuten var de klumpete og dyre og ble ikke mye brukt. Da ble det besluttet å vende seg til det kjemiske grunnstoffet cesium. Og i 1955 dukket de første atomklokkene basert på cesiumatomer opp.

I 1967 ble det besluttet å bytte til atomtidsstandarden, siden jordens rotasjon avtar og størrelsen på denne nedgangen ikke er konstant. Dette gjorde arbeidet til astronomer og tidtakere mye vanskeligere.

Jorden roterer for tiden med en hastighet på omtrent 2 millisekunder per 100 år.

Svingninger i lengden på dagen når også tusendeler av et sekund. Derfor har nøyaktigheten til Greenwich Mean Time (generelt akseptert verdensomspennende standard siden 1884) blitt utilstrekkelig. I 1967 skjedde overgangen til atomtidsstandarden.

I dag er et sekund en tidsperiode nøyaktig lik 9.192.631.770 perioder med stråling, som tilsvarer overgangen mellom to hyperfine nivåer av grunntilstanden til Cesium 133-atomet.

For tiden brukes Coordinated Universal Time som tidsskala. Det er dannet av International Bureau of Weights and Measures ved å kombinere data fra tidslagringslaboratorier ulike land, samt data fra International Earth Rotation Service. Nøyaktigheten er nesten en million ganger høyere enn den astronomiske Greenwich Mean Time.

Det er utviklet en teknologi som radikalt vil redusere størrelsen og kostnadene til ultrapresise atomklokker, noe som vil gjøre det mulig å bruke dem mye i mobile enheter seg selv til ulike formål. Forskere var i stand til å lage en atomtidsstandard av ultraliten størrelse. Slike atomklokker bruker mindre enn 0,075 W og har en feil på ikke mer enn ett sekund på 300 år.

En amerikansk forskningsgruppe har lyktes i å lage en ultrakompakt atomstandard. Det er blitt mulig å drive atomklokker fra vanlige AA-batterier. Ultrapresise atomklokker, vanligvis minst en meter høye, ble plassert i et volum på 1,5x1,5x4 mm

En eksperimentell atomklokke basert på et enkelt kvikksølvion er utviklet i USA. De er fem ganger mer nøyaktige enn cesium, som er akseptert som internasjonal standard. Cesiumklokker er så nøyaktige at det vil ta 70 millioner år før en forskjell på ett sekund oppnås, mens for kvikksølvklokker vil denne perioden være 400 millioner år.

I 1982, i en tvist mellom den astronomiske definisjonen av tidsstandarden og de som beseiret den atomklokke et nytt astronomisk objekt grep inn - en millisekundspulsar. Disse signalene er like stabile som de beste atomklokkene

Visste du det?

De første klokkene i Rus

I 1412 i Moskva ble en klokke plassert på gårdsplassen til storhertugen bak Bebudelseskirken, og den ble laget av Lazar, en serbisk munk som kom fra det serbiske landet. Dessverre er ingen beskrivelse av disse første klokkene i Rus bevart.

Hvordan dukket den klingende klokken opp på Spasskaya-tårnet i Kreml i Moskva?

På 1600-tallet laget engelskmannen Christopher Galloway klokkespill for Spasskaya-tårnet: timesirkelen var delt inn i 17 sektorer, den eneste klokkeviseren var stasjonær, rettet nedover og pekte på et eller annet nummer på skiven, men selve skiven roterte.

Vi hører ofte uttrykket at atomklokker alltid viser den nøyaktige tiden. Men fra navnet deres er det vanskelig å forstå hvorfor atomklokker er de mest nøyaktige eller hvordan de fungerer.

Bare fordi navnet inneholder ordet "atomic" betyr ikke det at klokken utgjør en fare for liv, selv om tanker om atombombe eller kjernekraftverk. I dette tilfellet snakker vi bare om prinsippet om klokkens drift. Hvis det er normalt mekanisk klokke Oscillerende bevegelser utføres av tannhjul og deres bevegelser telles, deretter telles svingningene til elektroner inne i atomer i en atomklokke. For bedre å forstå operasjonsprinsippet, la oss huske fysikken til elementære partikler.

Alle stoffer i vår verden er laget av atomer. Atomer består av protoner, nøytroner og elektroner. Protoner og nøytroner kombineres med hverandre for å danne en kjerne, som også kalles en nukleon. Elektroner beveger seg rundt i kjernen, som kan være på forskjellige energinivåer. Det mest interessante er at når et elektron absorberer eller frigjør energi, kan et elektron bevege seg fra energinivået til et høyere eller lavere. Et elektron kan hente energi fra elektromagnetisk stråling, absorbere eller sende ut elektromagnetisk stråling med en viss frekvens med hver overgang.

Oftest er det klokker der atomer av grunnstoffet Cesium-133 brukes til forandring. Hvis i 1 sekund pendelen vanlig vakt gjør 1 oscillerende bevegelse, deretter elektronene i atomklokker basert på Cesium-133, når de går over fra ett energinivå til et annet, sender de ut elektromagnetisk stråling med en frekvens på 9192631770 Hz. Det viser seg at ett sekund er delt inn i akkurat dette antallet intervaller hvis det regnes i atomklokker. Denne verdien ble offisielt vedtatt av det internasjonale samfunnet i 1967. Se for deg en stor urskive med ikke 60, men 9192631770 divisjoner, som utgjør bare 1 sekund. Det er ikke overraskende at atomklokker er så nøyaktige og har en rekke fordeler: atomer er ikke utsatt for aldring, slites ikke ut, og oscillasjonsfrekvensen vil alltid være den samme for ett kjemisk element, takket være det er det mulig å synkront sammenligne for eksempel avlesningene av atomklokker langt i verdensrommet og på jorden, uten frykt for feil.

Takket være atomklokker var menneskeheten i stand til å teste i praksis riktigheten av relativitetsteorien og sørge for at den er bedre enn på jorden. Atomklokker er installert på mange satellitter og romfartøy, de brukes til telekommunikasjonsbehov, for mobilkommunikasjon, og de brukes til å sammenligne den nøyaktige tiden på hele planeten. Uten overdrivelse var det takket være oppfinnelsen av atomklokker at menneskeheten var i stand til å gå inn i høyteknologiens tid.

Hvordan fungerer atomklokker?

Cesium-133 varmes opp ved å fordampe cesiumatomer, som føres gjennom et magnetfelt, hvor atomer med ønsket energitilstand velges.

De utvalgte atomene passerer deretter gjennom et magnetfelt med en frekvens nær 9192631770 Hz, som skapes av en kvartsoscillator. Under påvirkning av feltet endrer cesiumatomer igjen energitilstander og faller på en detektor, som registrerer når største antall de innkommende atomene vil ha den "riktige" energitilstanden. Maksimal mengde atomer med endret energitilstand indikerer at frekvensen til mikrobølgefeltet er riktig valgt, og deretter mates verdien inn i en elektronisk enhet - en frekvensdeler, som reduserer frekvensen med et helt antall ganger, mottar tallet 1, som er referanse nummer to.

Dermed brukes cesiumatomer for å kontrollere frekvensens korrekthet magnetisk felt, skapt av en krystalloscillator, som bidrar til å opprettholde den på en konstant verdi.

Dette er interessant: Selv om dagens atomklokker er enestående nøyaktige og kan gå i millioner av år uten feil, kommer ikke fysikerne til å stoppe der. Ved å bruke atomer av forskjellige kjemiske elementer, jobber de hele tiden med å forbedre nøyaktigheten til atomklokker. Blant de siste oppfinnelsene er atomuret strontium, som er tre ganger mer nøyaktige enn deres cesium-motstykke. For å henge etter bare et sekund, vil de trenge 15 milliarder år - tid som overstiger universets alder...

Hvis du finner en feil, merk en tekst og klikk Ctrl+Enter.