Cum funcționează ceasurile atomice (5 fotografii). Cel mai precis ceas din lume - cuantic

Când lumina se stinge brusc și se aprinde puțin mai târziu, de unde știi la ce oră să setezi ceasul? Da, vorbesc despre ceas electronic, pe care probabil că mulți dintre noi îl avem. Te-ai gândit vreodată cum este reglat timpul? În acest articol, vom afla totul despre ceasul atomic și despre modul în care acesta face să treacă întreaga lume.

Ceasurile atomice sunt radioactive?

Ceasurile atomice spun timpul mai bine decât orice alt ceas. Ele arată timpul mai bine decât rotația Pământului și mișcarea stelelor. Fără ceasuri atomice, navigarea prin GPS ar fi imposibilă, internetul nu ar fi sincronizat, iar pozițiile planetelor nu ar fi cunoscute cu suficientă precizie pentru sondele și vehiculele spațiale.

Ceasurile atomice nu sunt radioactive. Ei nu se bazează pe fisiunea atomică. Mai mult, are arc, la fel ca un ceas obișnuit. Cea mai mare diferență dintre un ceas standard și un ceas atomic este că oscilațiile unui ceas atomic apar în nucleul unui atom între electronii care îl înconjoară. Aceste oscilații nu sunt paralele cu echilibrul unui ceas cu bobinaj, dar ambele tipuri de oscilații pot fi folosite pentru a urmări trecerea timpului. Frecvența vibrațiilor în interiorul unui atom este determinată de masa nucleului, gravitația și „arvorul” electrostatic dintre sarcina pozitivă a nucleului și norul de electroni din jurul acestuia.

Ce tipuri de ceasuri atomice cunoaștem?

Astăzi există diverse tipuri ceasuri atomice, dar sunt construite pe aceleași principii. Principala diferență se referă la elementul și mijloacele de detectare a modificărilor nivelurilor de energie. Printre diferite tipuri Există următoarele ceasuri atomice:

• Ceasuri atomice de cesiu folosind fascicule de atomi de cesiu. Ceasul separă atomii de cesiu cu diferite niveluri de energie folosind un câmp magnetic.
• Un ceas atomic cu hidrogen menține atomii de hidrogen la nivelul de energie dorit într-un recipient ai cărui pereți sunt formați din material special, astfel încât atomii să nu-și piardă prea repede starea de înaltă energie.
• Ceasurile atomice cu rubidiu, cele mai simple și mai compacte dintre toate, folosesc o celulă de sticlă care conține gaz rubidiu.

Cele mai precise ceasuri atomice de astăzi folosesc un atom de cesiu și un câmp magnetic convențional cu detectoare. În plus, atomii de cesiu sunt reținuți de fasciculele laser, ceea ce reduce micile modificări ale frecvenței datorate efectului Doppler.

Cum funcționează ceasurile atomice pe bază de cesiu?

Atomii au o frecvență de vibrație caracteristică. Un exemplu familiar de frecvență este strălucirea portocalie a sodiului în interior sare de masă dacă ar fi aruncat în foc. Un atom are multe frecvențe diferite, unele în domeniul radio, altele în spectrul vizibil și altele între ele. Cesiu-133 este cel mai adesea ales pentru ceasurile atomice.

Pentru ca atomii de cesiu să rezoneze într-un ceas atomic, una dintre tranziții sau frecvența de rezonanță trebuie măsurată cu precizie. Acest lucru se face de obicei prin blocarea unui oscilator cu cristal în rezonanța fundamentală cu microunde a atomului de cesiu. Acest semnal se află în domeniul de microunde al spectrului de frecvență radio și are aceeași frecvență ca și semnalele transmise direct prin satelit. Inginerii știu cum să creeze echipamente pentru această regiune de spectru, în detaliu.

Pentru a crea un ceas, cesiul este mai întâi încălzit, astfel încât atomii să fie vaporizați și trecuți printr-un tub cu vid înalt. Ei trec mai întâi printr-un câmp magnetic, care selectează atomii cu starea energetică dorită; trec apoi printr-un câmp intens de microunde. Frecvența energiei cu microunde sare înainte și înapoi pe o gamă îngustă de frecvențe, astfel încât la un anumit punct atinge o frecvență de 9.192.631.770 herți (Hz, sau cicluri pe secundă). Gama oscilatorului cu microunde este deja apropiată de această frecvență deoarece este produsă de un oscilator cu cristal precis. Când un atom de cesiu primește energie de microunde cu frecvența dorită, își schimbă starea energetică.

La capătul tubului, un alt câmp magnetic separă atomii care și-au schimbat starea energetică dacă câmpul cu microunde a fost de frecvența potrivită. Detectorul de la capătul tubului produce un semnal de ieșire proporțional cu numărul de atomi de cesiu care îl lovesc și atinge vârfuri atunci când frecvența microundelor este suficient de corectă. Acest semnal de vârf este necesar pentru corecție pentru a aduce oscilatorul de cristal și, prin urmare, câmpul de microunde, la frecvența dorită. Această frecvență blocată este apoi împărțită la 9.192.631.770 pentru a oferi familiarului un impuls pe secundă de care are nevoie lumea reală.

Când a fost inventat ceasul atomic?

În 1945, profesorul de fizică de la Universitatea Columbia, Isidor Rabi, a propus un ceas care ar putea fi realizat pe baza tehnicilor dezvoltate în anii 1930. A fost numită rezonanță magnetică a fasciculului atomic. Până în 1949, Biroul Național de Standarde a anunțat crearea primului ceas atomic din lume bazat pe molecula de amoniac, ale cărei vibrații au fost citite, iar până în 1952 a creat primul ceas atomic din lume bazat pe atomi de cesiu, NBS-1.

În 1955, Laboratorul Național de Fizică din Anglia a construit primul ceas folosind un fascicul de cesiu ca sursă de calibrare. În următorul deceniu, au fost create ceasuri mai avansate. În 1967, în timpul celei de-a 13-a Conferințe Generale pentru Greutăți și Măsuri, secunda SI a fost determinată pe baza vibrațiilor atomului de cesiu. Nu exista un sistem de cronometrare în lume definiții mai precise decât aceasta. NBS-4, cel mai stabil ceas cu cesiu din lume, a fost finalizat în 1968 și a fost folosit până în 1990.

Ceasurile atomice sunt cele mai precise instrumente de măsurare a timpului care există astăzi și devin din ce în ce mai mult valoare mai mare cu dezvoltare și complexitate tehnologii moderne.

Principiul de funcționare

Ceasurile atomice păstrează ora exactă nu datorită dezintegrarii radioactive, așa cum ar putea sugera numele lor, ci folosind vibrațiile nucleelor ​​și electronilor din jurul lor. Frecvența lor este determinată de masa nucleului, gravitația și „echilibratorul” electrostatic dintre nucleul încărcat pozitiv și electroni. Acest lucru nu corespunde în totalitate cu o mișcare obișnuită a ceasului. Ceasurile atomice sunt indicatoare de timp mai fiabile, deoarece oscilațiile lor nu se modifică în funcție de astfel de factori mediu, cum ar fi umiditatea, temperatura sau presiunea.

Evoluția ceasurilor atomice

De-a lungul anilor, oamenii de știință au realizat că atomii au frecvențe de rezonanță legate de capacitatea fiecăruia de a absorbi și de a emite radiații electromagnetice. În anii 1930 și 1940, au fost dezvoltate echipamente de comunicații de înaltă frecvență și radar care ar putea interfața cu frecvențele de rezonanță ale atomilor și moleculelor. Acest lucru a contribuit la ideea unui ceas.

Primele exemple au fost construite în 1949 de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST). Amoniacul a fost folosit ca sursă de vibrații. Cu toate acestea, nu au fost cu mult mai precise decât standardul de timp existent și cesiul a fost folosit în generația următoare.

Standard nou

Schimbarea în precizia măsurării timpului a fost atât de mare încât în ​​1967 Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri a definit secunda SI ca 9.192.631.770 de vibrații ale unui atom de cesiu la frecvența sa de rezonanță. Aceasta însemna că timpul nu mai avea legătură cu mișcarea Pământului. Cel mai stabil ceas atomic din lume a fost creat în 1968 și a fost folosit ca parte a sistemului de cronometrare NIST până în anii 1990.

Masina de imbunatatire

Unul dintre cele mai recente progrese în acest domeniu este răcirea cu laser. Acest lucru a îmbunătățit raportul semnal-zgomot și a redus incertitudinea semnalului de ceas. Adăpostirea acestui sistem de răcire și a altor echipamente utilizate pentru îmbunătățirea ceasurilor cu cesiu ar necesita spațiu de dimensiunea unui vagon de cale ferată, deși versiunile comerciale ar putea încăpea într-o valiză. Una dintre acestea instalatii de laboratorține timpul în Boulder, Colorado și este cel mai precis ceas de pe Pământ. Ei greșesc doar cu 2 nanosecunde pe zi sau cu 1 secundă la 1,4 milioane de ani.

Tehnologie complexă

Această precizie enormă este rezultatul complexului proces tehnologic. Mai întâi, cesiul lichid este plasat într-un cuptor și încălzit până când se transformă într-un gaz. Atomii de metal ies cu viteză mare printr-o mică deschidere a cuptorului. Electromagneții îi fac să se împartă în fascicule separate cu energii diferite. Fasciculul necesar trece printr-o gaură în formă de U, iar atomii sunt iradiați cu energie de microunde cu o frecvență de 9.192.631.770 Hz. Datorită acestui fapt, ei sunt entuziasmați și trec într-o stare energetică diferită. Câmpul magnetic filtrează apoi alte stări de energie ale atomilor.

Detectorul reacționează la cesiu și arată un maxim la valoare corectă frecvente. Acest lucru este necesar pentru a configura oscilatorul de cuarț care controlează mecanismul ceasului. Împărțirea frecvenței sale la 9.192.631.770 dă un impuls pe secundă.

Nu doar cesiu

Deși cele mai comune ceasuri atomice folosesc proprietățile cesiului, există și alte tipuri. Ele diferă prin elementul utilizat și mijloacele de determinare a modificărilor nivelului de energie. Alte materiale sunt hidrogenul și rubidiul. Ceasurile atomice cu hidrogen funcționează similar ceasurilor cu cesiu, dar necesită un recipient cu pereți dintr-un material special care împiedică atomii să piardă prea repede energie. Ceasurile Rubidium sunt cele mai simple și mai compacte. În ele, o celulă de sticlă umplută cu gaz rubidiu modifică absorbția luminii atunci când este expusă la frecvență ultraînaltă.

Cine are nevoie de ora exactă?

Astăzi, timpul poate fi măsurat cu o precizie extremă, dar de ce este acest lucru important? Acest lucru este necesar în sisteme precum telefoane mobile, Internet, GPS, programe de aviație și televiziune digitală. La prima vedere acest lucru nu este evident.

Un exemplu de cât de precisă este utilizată este în sincronizarea pachetelor. Mii de apeluri telefonice trec prin linia medie de comunicare. Acest lucru este posibil doar pentru că conversația nu este transmisă complet. Compania de telecomunicații îl împarte în pachete mici și chiar omite o parte din informații. Apoi trec prin linie împreună cu pachete de alte conversații și sunt restaurate la celălalt capăt fără amestecare. Sistemul de sincronizare al centralei telefonice poate determina ce pachete aparțin unei anumite conversații până la ora exactă în care au fost trimise informațiile.

GPS

O altă implementare a timpului precis este un sistem de poziționare globală. Este format din 24 de sateliți care își transmit coordonatele și ora. Orice receptor GPS se poate conecta la ele și poate compara orele de difuzare. Diferența permite utilizatorului să-și determine locația. Dacă aceste ceasuri nu ar fi foarte precise, atunci sistemul GPS ar fi nepractic și nefiabil.

Limita perfectiunii

Odată cu dezvoltarea tehnologiei și a ceasurilor atomice, inexactitățile Universului au devenit vizibile. Pământul se mișcă inegal, provocând variații aleatorii în lungimea anilor și a zilelor. În trecut, aceste schimbări ar fi trecut neobservate deoarece instrumentele de măsurare a timpului erau prea imprecise. Cu toate acestea, spre frustrarea cercetătorilor și a oamenilor de știință, timpul ceasurilor atomice trebuie ajustat pentru a compensa anomaliile. lumea reală. Sunt instrumente uimitoare care avansează tehnologia modernă, dar excelența lor este limitată de limitele stabilite de natura însăși.

Acestea sunt dispozitive pentru măsurarea timpului, al căror principiu de funcționare se bazează pe fizica atomică. Datorită proprietăților elemente chimice utilizate în design, eroarea acestor ceasuri este minimă. De exemplu, dispozitivele bazate pe toriu-229 vor întârzia cu o zecime de secundă în aproximativ 14 miliarde de ani.

Cum funcționează ceasurile atomice?

Dacă în ceas cu quartz Frecvența de referință pentru determinarea celui de-al doilea este numărul de vibrații ale unui cristal de cuarț, apoi în cele atomice se consideră frecvența tranzițiilor electronilor în atomii anumitor elemente chimice de la un nivel de energie la altul.

1 - Componentă electronică (cip)

2 - Sursă nucleară

3 - Fotodetector

4 - Încălzitor superior

5 - Celulă rezonantă

6 - Placă ondulată

7 - Încălzitor de jos

8 - Laser cu emitere verticală

Iată ideea: atomii au electroni. Au energie. Atunci când absorb sau eliberează energie, electronii sar de la un nivel de energie la altul, absorbind sau emitând unde electromagnetice, a cărui frecvență este întotdeauna aceeași. Acest fenomen poate fi controlat: atunci când un atom este expus la radiații cu microunde, acesta răspunde cu un anumit număr de vibrații.

Această proprietate este utilizată pentru a îmbunătăți acuratețea măsurătorilor de timp. Astfel, se recunoaște că o secundă este durata a 9192631770 de cicluri de radiație. Această frecvență corespunde tranziției între două niveluri de energie ale atomului de cesiu-133. Prin compararea frecvenței de oscilație a unui oscilator cu cuarț cu frecvența de tranziție a atomilor elementului, se înregistrează cele mai mici abateri. Dacă există abateri, vibrațiile de cuarț sunt reglate.

Cesiul nu este singurul material folosit în ceasurile atomice. Apar dispozitive bazate pe elemente chimice care pot oferi o precizie și mai mare: iterbiu, toriu-229, stronțiu.

De ce sunt exacte ceasurile atomice?

Frecvența de vibrație a elementului chimic este aceeași, iar acest lucru minimizează posibilitatea de eroare. În plus, spre deosebire de un cristal de cuarț, atomii nu se uzează sau își pierd proprietăți chimice peste orar.

Alte denumiri pentru ceasurile atomice: cuantic, molecular.

Un nou impuls în dezvoltarea dispozitivelor pentru măsurarea timpului a fost dat de fizicienii atomici.

În 1949, a fost construit primul ceas atomic, unde sursa oscilațiilor nu era un pendul sau un oscilator cu cuarț, ci semnalele asociate cu tranziția cuantică a unui electron între două niveluri de energie ale unui atom.

În practică, astfel de ceasuri s-au dovedit a nu fi foarte precise, în plus, erau voluminoase și costisitoare și nu erau utilizate pe scară largă. Apoi s-a decis să se apeleze la elementul chimic cesiu. Și în 1955 a apărut primul ceas atomic bazat pe atomi de cesiu.

În 1967, s-a decis trecerea la standardul de timp atomic, deoarece rotația Pământului încetinește și amploarea acestei încetiniri nu este constantă. Acest lucru a făcut munca astronomilor și a cronometrarilor mult mai dificilă.

Pământul se rotește în prezent cu o viteză de aproximativ 2 milisecunde la 100 de ani.

Fluctuațiile în lungimea zilei ajung și la miimi de secundă. Prin urmare, acuratețea Greenwich Mean Time (standard acceptat în general la nivel mondial din 1884) a devenit insuficientă. În 1967, a avut loc trecerea la standardul de timp atomic.

Astăzi, o secundă este o perioadă de timp exact egală cu 9.192.631.770 de perioade de radiație, care corespunde tranziției între două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133.

În prezent, Timpul Universal Coordonat este folosit ca scară de timp. Este format de Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri prin combinarea datelor din laboratoarele de stocare a timpului diverse tari, precum și date de la Serviciul Internațional de Rotație a Pământului. Precizia sa este de aproape un milion de ori mai mare decât ora astronomică Greenwich.

A fost dezvoltată o tehnologie care va reduce radical dimensiunea și costul ceasurilor atomice ultra-precise, ceea ce va face posibilă utilizarea pe scară largă în dispozitive mobile se pentru diverse scopuri. Oamenii de știință au reușit să creeze un standard de timp atomic de dimensiuni ultra-mice. Astfel de ceasuri atomice consumă mai puțin de 0,075 W și au o eroare de cel mult o secundă în 300 de ani.

Un grup de cercetare din SUA a reușit să creeze un standard atomic ultra-compact. A devenit posibilă alimentarea ceasurilor atomice cu baterii AA obișnuite. Ceasuri atomice ultra-precise, de obicei cel puțin un metru înălțime, au fost plasate într-un volum de 1,5x1,5x4 mm.

În SUA, a fost dezvoltat un ceas atomic experimental bazat pe un ion de mercur. Sunt de cinci ori mai precise decât cesiul, care este acceptat ca standard internațional. Ceasurile cu cesiu sunt atât de precise încât va fi nevoie de 70 de milioane de ani pentru a obține o diferență de o secundă, în timp ce pentru ceasurile cu mercur această perioadă va fi de 400 de milioane de ani.

În 1982, într-o dispută între definiția astronomică a standardului Timpului și cei care l-au învins ceas atomic a intervenit un nou obiect astronomic - un pulsar de milisecunde. Aceste semnale sunt la fel de stabile ca cele mai bune ceasuri atomice

Știați?

Primele ceasuri din Rus'

În 1412, la Moscova, în curtea Marelui Voievod a fost amplasat un ceas din spatele Bisericii Buna Vestire, și a fost realizat de Lazăr, un călugăr sârb venit din pământul sârbesc. Din păcate, nu s-a păstrat nicio descriere a acestor prime ceasuri din Rus'.

Cum a apărut ceasul care sonerie pe Turnul Spasskaya al Kremlinului din Moscova?

În secolul al XVII-lea, englezul Christopher Galloway a făcut clopoțeii pentru Turnul Spasskaya: cercul orelor era împărțit în 17 sectoare, singurul ceas era staționar, îndreptat în jos și îndreptat către un număr de pe cadran, dar cadranul însuși se rotea.

Auzim adesea fraza că ceasurile atomice arată întotdeauna ora exactă. Dar din numele lor este greu de înțeles de ce ceasurile atomice sunt cele mai precise sau cum funcționează.

Doar pentru că numele conține cuvântul „atomic” nu înseamnă că ceasul reprezintă un pericol pentru viață, chiar dacă gândurile de bombă atomică sau centrala nucleara. În acest caz, vorbim doar despre principiul de funcționare al ceasului. Dacă în normal ceas mecanic mișcările oscilatorii sunt efectuate de roți dințate și se numără mișcările lor, apoi într-un ceas atomic se numără oscilațiile electronilor din interiorul atomilor. Pentru a înțelege mai bine principiul de funcționare, să ne amintim de fizica particulelor elementare.

Toate substanțele din lumea noastră sunt făcute din atomi. Atomii constau din protoni, neutroni și electroni. Protonii și neutronii se combină între ei pentru a forma un nucleu, care se mai numește și nucleon. Electronii se mișcă în jurul nucleului, care poate fi la diferite niveluri de energie. Cel mai interesant lucru este că atunci când absoarbe sau eliberează energie, un electron se poate deplasa de la nivelul său de energie la unul superior sau inferior. Un electron poate obține energie din radiația electromagnetică, absorbind sau emitând radiații electromagnetice de o anumită frecvență cu fiecare tranziție.

Cel mai adesea există ceasuri în care atomii elementului Cesiu -133 sunt folosiți pentru schimbare. Dacă în 1 secundă pendulul ceas obișnuit face 1 mișcare oscilativă, apoi electronii în ceasurile atomice pe baza de cesiu-133, la trecerea de la un nivel de energie la altul, emit radiații electromagnetice cu o frecvență de 9192631770 Hz. Se dovedește că o secundă este împărțită în exact acest număr de intervale dacă este calculată în ceasuri atomice. Această valoare a fost adoptată oficial de comunitatea internațională în 1967. Imaginați-vă un cadran imens cu nu 60, ci 9192631770 divizii, care alcătuiesc doar 1 secundă. Nu este surprinzător faptul că ceasurile atomice sunt atât de precise și au o serie de avantaje: atomii nu sunt supuși îmbătrânirii, nu se uzează, iar frecvența de oscilație va fi întotdeauna aceeași pentru un element chimic, datorită căruia este posibil să comparați sincron, de exemplu, citirile ceasurilor atomice departe în spațiu și pe Pământ, fără teama de erori.

Datorită ceasurilor atomice, omenirea a putut testa în practică corectitudinea teoriei relativității și să se asigure că este mai bună decât pe Pământ. Ceasurile atomice sunt instalate pe mulți sateliți și nava spatiala, sunt folosite pentru nevoi de telecomunicații, pentru comunicații mobile și sunt folosite pentru a compara ora exactă pe întreaga planetă. Fără exagerare, datorită invenției ceasurilor atomice, omenirea a putut intra în era tehnologiei înalte.

Cum funcționează ceasurile atomice?

Cesiu-133 este încălzit prin evaporarea atomilor de cesiu, care sunt trecuți printr-un câmp magnetic, unde sunt selectați atomii cu stările de energie dorite.

Atomii selectați trec apoi printr-un câmp magnetic cu o frecvență apropiată de 9192631770 Hz, care este creat de un oscilator de cuarț. Sub influența câmpului, atomii de cesiu schimbă din nou stările de energie și cad pe un detector, care înregistrează când cel mai mare număr atomii care intră vor avea starea energetică „corectă”. Cantitate maxima atomii cu o stare de energie modificată indică faptul că frecvența câmpului cu microunde este selectată corect, iar apoi valoarea sa este introdusă într-un dispozitiv electronic - un divizor de frecvență, care, reducând frecvența de un număr întreg de ori, primește numărul 1, care este secunda de referință.

Astfel, atomii de cesiu sunt utilizați pentru a verifica corectitudinea frecvenței câmp magnetic, creat de un oscilator cu cristal, ajutând la menținerea lui la o valoare constantă.

Acesta este interesant: Deși actualele ceasuri atomice sunt nemaiîntâlnite de precise și pot funcționa milioane de ani fără erori, fizicienii nu se vor opri aici. Folosind atomi de diferite elemente chimice, aceștia lucrează în mod constant pentru a îmbunătăți acuratețea ceasurilor atomice. Printre cele mai recente invenții se numără ceasul atomic stronţiu, care sunt de trei ori mai precise decât omologul lor cu cesiu. Pentru a rămâne în urmă cu doar o secundă, vor avea nevoie de 15 miliarde de ani - timp care depășește vârsta Universului nostru...

Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și faceți clic Ctrl+Enter.