Атомен часовник

Вътрешността на цезиев атомен часовник

Атомен часовник

Атомен часовник е вид часовник, който измерва времето, използвайки явления от атомната физика и по-точно резонансните честоти на поглъщане на електромагнитно излъчване от атомите. Електроните в атома могат да преминават от едно състояние (с по-ниска енергия) в друго (с по-висока) при облъчване с електромагнитно излъчване, но преходите стават само когато излъчването е със строго определена честота. Основният принцип на атомния часовник е да се използва генератор на електромагнитно излъчване в микровълновата или оптичната спектрална област, като се търси честота, при която се наблюдават преходи между двете състояния на атома. По същество, атомният часовник е еталон за честота.

В реалните атомни системи преходи между две състояния може да се наблюдават в тясна спектрална област около централната резонансна честота. Тази област определя така наречената спектрална ширина на прехода. Очевидно е, че при атомните часовници се търсят преходи с възможно най-малка ширина. Друго важно изискване към атомните часовници (както и към всеки един часовник) е резонансната честота на прехода да е възможно най-нечувствителна към външни влияния (температура, налягане, надморска височина, магнитни и електрични полета и т.н.).

В официалната международна дефиниция на секунда според SI (Международна система единици) за еталон е избран цезиевият атом ¹³³Cs и по-точно преходът между свръхфините компоненти на неговото основно състояние 6²S F=3 - F=4. Честотата на този преход е 9192631770 Hz и затова секундата се дефинира като: "продължителността на 9192631770 осцилации на електромагнитното поле, възбуждащо преход между свръхфините компоненти на основното състояние на ¹³³Cs".

Относителната точност при цезиевите часовници е от порядъка на 10^-14, което води до отклонение от 10^-9 секунди на ден или 1 секунда на всеки 3 000 000 години. При съвременните цезиеви часовници относителната грешка достига до 5.10^-15.

Още по-прецизни са така наречените оптични атомни часовници, при които се използват преходи в оптичния и близкия ултравиолетов спектрален диапазон.

История

Преди пет века хората за първи път използвали механизми със зъбни колела за измерване на времето при астрономически наблюдения. Било в 1484 година в град Нюрнберг. Двеста години по-късно Хюйгенс се „сетил" за махалото. От тогава досега и зъбните колела, и махалото служат вярно на часовниците. Но колко точно отчитаме времето с тях? Ние сме доволни, когато ръчният ни часовник се отклонява с по-малко от минута в денонощие. За хронометрите допустимото отклонение е няколко секунди. При специални грижи (постоянна температура и неизменно барометрично налягане) часовникът с махало постига предела на своите възможности — закъснение от няколко хилядни от секундата в денонощие.Двадесетият век донесе кварцовия часовник, който избързва или закъснява с една секунда за ... 100 години.Фино обработената кварцова пластинка има особено качество. Ако бъде „малтретирана" от външна сила,в нея се пораждат електрически колебания, които имат честота далеч по-постоянна от тази на махалото.Кварцовият часовник има такава пластинка. Тя е „сърцето" на един генератор за променлив ток, който захранва синхронно моторче и именно това моторче командва стрелките на часовника.И все пак с течение на времето точността спада — кварцът „остарява". При това той е особено чувствителен към промените в температурата и пластинката трябва да се постави в двоен термостат, който поддържа температурата постоянна с точност до стотни или хилядни от градуса.С какво тогава да се сравнява ходът на кварцовия часовник? Има ли в природата неизменна мярка за време?

На помощ дойдоха електроните. Знаем, че не им е позволено да вършат каквото си искат, за тях има „разрешено" и „неразрешено" поведение. Те притежават строго определени количества енергия и могат да преминават в състояние с друга,също разрешена енергия, със скок. Електронът от един атом, например, може да прескочи на по-долен енергетичен „етаж" като „изхвърли" разликата между двете енергии под формата на електромагнитни трептения със строго определена честота. Ако разполагаме с атоми на цезий и принудим електроните им да извършат такъв предварително определен от нас скок, то ще добием лъчение с точно определена честота,която вече е една много съвършена мярка за време. Още повече, че с помощта на специални делители на честота е възможно да се формират трептения с период от една секунда.Може да се постъпи и обратно. Да се заставят електроните да прескочат на по-горен етаж, т.е. в състояние с по-голяма енергия. За целта трябва да му се предаде отвън енергия, равна на разликата между двете състояния. Подобно устройство ще реагира само на онова паднало върху него лъчение, което има строго определена честота. То също може да бъде еталон за време.Трябваше да мине немалко време,дори след като теорията стана ясна,за да се намери подходяща конструкция. Тогава дойде и голямата точност в измерване на времето. Кварцовият часовник беше снабден със специално радиотехническо устройство,което имаше задача да следи хода му,като сравнява трептенията на кварцовия генератор с електромагнитните трептения, излъчвани или поглъщани от атомите на дадено вещество. При най-малкото отклонение от атомното „точно време" това устройство вдига тревога и автоматично коригира хода на часовника. Разбира се, атомите на различните елементи са различно добри „контрольори" и с най-добър авторитет сред тях засега са тези на ксенона.

А не може ли да се построи часовник само на базата на атомните излъчвания или поглъщания? Оказва се, че е много трудно да бъде създаден атомен еталон за време с непрекъснато действие. Ето защо той се използва само за периодичен контрол на точността на кварцовия часовник. Така атомите, изпълнителите на главни роли в различни физични процеси, прибавиха в биографията си още една — ролята на точен еталон за време. В тяхна чест кварцовите часовници с атомни коректори получиха името атомни часовници. Точността им е огромна. За много хиляди години те ще се отклонят само с части от секундата. Но дори и тези малки отклонения се дължат по-скоро на несъвършенството и конструкцията, отколкото на промяна в атомната секунда.

Атомният часовник не нарушава точността си и тогава, когато Земята яростно трепери. Земетресения та не му влияят. Но има защо да се сърди старата Земя. Тя не се върти равномерно около оста си, а именно това въртене определя астрономическата мярка за време денонощието. В такъв случай не може да се разчита на него при особено точно измерване на времето. Капризите на Земята при нейното околоосно въртене бяха известни на учените от векове. Периодически се отчитаха своеволията ѝ и се правеха поправки във времето, измервано чрез периода на въртенето на Земята. Но сега с атомния часовник се уточни нещо по-интересно. Нашата планета през отделните сезони се върти различно. През есента бърза, а през пролетта, уморена, забавя въртенето си. Промяната е цяла хилядна от секундата! Това не би било толкова неприятно, ако можеше да се определи някаква закономерност и през пролетта и есента да се правят поправки. Но Земята наистина капризничи. Промените в околоосното ѝ въртене не се подчиняват на никакви закони и трудно могат да бъдат предсказани и предвидени. Неравномерността във въртенето на Земята води до отклонение на хода на астрономическите часовници от този на атомните. Това отклонение е около пет секунди за едно десетилетие. Ще отидат ли зъбните колела и махалото в музея при пясъчния часовник? Не, такава участ не им е отредена. В ежедневния живот те ни служат добре. Ако будилникът ни събуди с няколко секунди по-късно, това не е беда. Но в света на атома за секунда стават безброй събития: електрони напущат родния си атом и наново се завръщат, „раждат се" и „умират" елементарни частици. За тези процеси една секунда е цяла ера. И може би ще се наложи да търсим средства и начини за още по-точно измерване на времето.

Източник: МИХАИЛ ДИМИТРИЕВ ,Списание "Космос"

Вижте също

• Амонячен часовник