Стандарт цезия - Caesium standard

Атомный фонтан цезия, используемый как часть атомных часов

Стандарт цезия является основным стандартом частоты , в которой поглощение фотонов при переходах между двумя сверхтонкими основными состояниями в цезии-133 атомов используются для управления выходной частоты. Первые цезиевые часы были построены Луи Эссеном в 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании. и продвигается во всем мире Гернотом М.Р. Винклером из Военно-морской обсерватории США .

Цезиевые атомные часы являются наиболее точными эталонами времени и частоты и служат основным стандартом для определения секунды в Международной системе единиц (СИ) (современная форма метрической системы ). По определению, излучение, возникающее при переходе между двумя сверхтонкими основными состояниями цезия (в отсутствие внешних воздействий, таких как магнитное поле Земли), имеет частоту Δ ν Cs точно равной9 192 631 770  Гц . Это значение было выбрано так , что цезий второй равен, к пределу измерения способности человека в 1960 году , когда он был принят, существующие стандартные эфемериды второй на основе земной орбите «s вокруг Солнца . Поскольку никакое другое измерение времени не было столь точным, эффект от изменения был меньше экспериментальной неопределенности всех существующих измерений.

Технические подробности

Официальное определение второго было впервые дано МБМВ на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году: « Второе - это продолжительность9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133. «На встрече 1997 года BIPM добавил к предыдущему определению следующее определение:« Это определение относится к атому цезия, находящемуся в состоянии покоя при температуре 0 К. »

BIPM повторил это определение на своей 26-й конференции (2018 г.): « Второе определение определяется путем принятия фиксированного численного значения частоты цезия ∆Cs, невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия 133, равной 9 192 631. 770 при экспрессии в единичных Гц, которая равна с -1 . "

Смысл предыдущего определения заключается в следующем. Атом цезия имеет основное электронное состояние с конфигурацией [Xe] 6s 1 и, следовательно, символ атомного члена 2 S 1/2 . Это означает, что существует один неспаренный электрон и полный электронный спин атома равен 1/2. Более того, ядро ​​цезия-133 имеет ядерный спин, равный 7/2. Одновременное присутствие спина электрона и спина ядра приводит по механизму, называемому сверхтонким взаимодействием , к (небольшому) расщеплению всех уровней энергии на два подуровня. Один из подуровней соответствует тому, что спин электрона и ядра параллелен (т.е. указывает в одном направлении), что приводит к полному спину F, равному F = 7/2 + 1/2 = 4 ; другой подуровень соответствует антипараллельному электронному и ядерному спину (т.е. направлен в противоположные стороны), что приводит к полному спину F = 7/2 - 1/2 = 3 . В атоме цезия так получилось, что подуровень с самой низкой энергией имеет F = 3 , в то время как подуровень F = 4 находится энергетически немного выше. Когда атом облучается электромагнитным излучением, имеющим энергию, соответствующую разнице энергий между двумя подуровнями, излучение поглощается, и атом возбуждается, переходя от подуровня F = 3 к подуровню F = 4 . Через небольшую долю секунды атом переизлучает излучение и вернется в свое основное состояние F = 3 . Из определения второго следует, что рассматриваемое излучение имеет частоту ровно9,192 631 77  ГГц , что соответствует длине волны около 3,26 см и, следовательно, относится к микроволновому диапазону.

Смотрите также

использованная литература

  1. ↑ L. Essen, JVL Parry (1955). «Атомный эталон частоты и временного интервала: цезиевый резонатор». Природа . 176 (4476): 280–282. Bibcode : 1955Natur.176..280E . DOI : 10.1038 / 176280a0 . S2CID  4191481 .
  2. ^ Марковиц, В .; Холл, р .; Essen, L .; Парри, Дж. (1958). «Частота цезия в эфемеридном времени». Письма с физическим обзором . 1 (3): 105. Полномочный код : 1958PhRvL ... 1..105M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.1.105 .
  3. ^ «Международный комитет политики и мер (CIPM): Материалы сессий 86-го совещания» (PDF) (на французском и английском языках). Париж: Международное бюро Poids et Mesures. 23–25 сентября 1997 г. с. 229. Архивировано из оригинального (PDF) 4 декабря 2020 года . Проверено 30 декабря 2019 .
  4. ^ «Резолюция 1 26-го ГКБП» (на французском и английском языках). Париж: Международное бюро Poids et Mesures. 2018. С. 472 официального французского издания. Архивировано из оригинала на 2021-02-04 . Проверено 29 декабря 2019 .

внешние ссылки


Значок заглушки

Эта статья о физике незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее .