Ceas atomic - ora exactă și toate informațiile despre prim; ceasul ren
Explicaţie
Ceasul atomic este așa-numitul ceas primar. Aceasta înseamnă că are cea mai precisă indicație de timp dintre toate ceasurile. Ceasurile de mână normale au o abatere progresivă de la ora reală de aproximativ o secundă pe zi. Astfel de abateri sunt intolerabile în știință. Versiunile de astăzi au însă o abatere de doar o secundă într-un milion de ani. La începutul anului 2012, cercetătorii americani au creat chiar și un ceas atomic primar cu o abatere de o secundă peste 140 de miliarde de ani.
Ceasurile atomice sunt, prin urmare, valorile orientative pentru toate ceasurile din lume, fie că sunt ceasuri radio, afișare a timpului de televiziune sau unități de control industriale. Cu toate acestea, aceste ceasuri sunt de obicei actualizate doar la oră, ceea ce înseamnă că pot exista încă abateri minore.
Cum funcționează un ceas atomic
Pur și simplu, un ceas atomic este construit în același mod ca orice alt ceas din lume. Funcționează pe baza unui ceas și a unui contor. Dar, în loc de un pendul sau o roată de balans, generatoarele de ceas sunt atomi de caziu.
Atomii de caziu sunt mai întâi evaporați într-o cameră asemănătoare cuptorului și sunt grupați într-un fascicul de atomi. Prin acest proces, atomii de caziu ating fiecare una din cele două stări posibile, pe care nu le mai pot modifica nici măcar fără influență externă.
Fasciculul atomic lovește apoi un câmp magnetic care separă atomii în funcție de starea lor, astfel încât fasciculul atomic să conțină doar starea dorită (prezentată în grafic de cercurile albastre).
Următorul pas necesar este de a face ca atomii „curățați” din fascicul să schimbe starea, astfel încât aceste schimbări de stare să poată fi plătite. Acțiunea radiației cu microunde este necesară pentru aceasta. Această radiație cu microunde are o frecvență liber selectabilă, care poate fi alimentată în așa-numitul rezonator.
Scopul rezonatorului este de a genera o frecvență cu microunde care să fie cât mai exact posibilă frecvența naturală a fasciculului de atomi de caziu. Acest lucru se datorează faptului că majoritatea schimbărilor de stare sunt generate în atomii de caziu.
Pentru a determina această frecvență a radiației cu microunde care este cât mai consistentă, trebuie deci să fim atenți la frecvența setată la care majoritatea atomilor de casiu și-au schimbat starea. Acest lucru se face prin intermediul unui contor care este plasat la capătul fasciculului atomic. Astfel încât doar atomii cu noua stare modificată ajung în acest contor (arătat în portocaliu în grafic), atomii cu vechea stare nedorită (arătat în albastru) sunt deviați departe de contor printr-un al doilea câmp magnetic.
Această structură ar duce la concluzia că majoritatea atomilor își schimbă starea exact la 9192.631.770 Hz. Unitatea Hz înseamnă că a trecut o secundă după 9192.631.770 oscilații.
Povestea originii timpului atomic
Istoria ceasului atomic începe în 1945 când fizicianul american Isidor Rabi a sugerat construirea unui ceas după cercetarea sa asupra metodei rezonanței magnetice.
Un astfel de ceas a fost dezvoltat și prezentat de Harold Lyons în Biroul Național de Standarde încă din 1949. Spre deosebire de ceasurile atomice de astăzi, ceasul de atunci folosea moleculele de amoniac în locul atomilor de casiu ca sursă pentru vibrator.
Cu toate acestea, s-a recunoscut rapid că precizia dorită nu a fost atinsă cu moleculele de amoniac. Din acest motiv, atomii de casiu au fost folosiți pentru prima dată în 1952, când ceasul atomic a fost dezvoltat în continuare. Acest ceas a fost numit NBS-1.
Câțiva ani mai târziu (1955), un nou ceas atomic de caziu a fost dezvoltat în Marea Britanie de către fizicienii Louis Essen și J.V.L.Parry, care până atunci furnizau cele mai precise informații orare dintre toate. Această acuratețe fără precedent a fost, de asemenea, motivul pentru care aceste ceasuri primare au definit durata unei secunde la nivel internațional.
Definiția este: "Al doilea este de 9192.631.770 ori perioada radiației corespunzătoare tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomilor nucleului 133Cs." Această secundă definită se numește secundă atomică și timpul care este determinat de secunda atomică se numește timp atomic.
În 1969, ceasul atomic CS1 a fost pus în funcțiune în Physikalisch-Technische Bundesanstalt (abre.: PTB) din Braunschweig. Doar nouă ani mai târziu, legea timpului din 26 iulie 1978 a transmis PTB determinarea timpului legal și, astfel, CS1.
În 1985, un alt ceas atomic Casium, numit CS2, este pus în funcțiune în Braunschweig, care este responsabil pentru determinarea timpului legal din 1991. Până în prezent, CS2 oferă ora exactă tuturor ceasurilor radio controlate și internetului.