Gabim i orës atomike. Si funksionojnë orët atomike?

, Galileo) janë të pamundura pa orët atomike. Orët atomike përdoren gjithashtu në sistemet e telekomunikacionit satelitor dhe tokësor, duke përfshirë stacionet bazë të telefonisë celulare, zyrat e standardeve ndërkombëtare dhe kombëtare dhe shërbimet e kohës, të cilat transmetojnë periodikisht sinjale kohore përmes radios.

Pajisja e orës

Ora përbëhet nga disa pjesë:

• diskriminues kuantik,
• kompleks elektronik.

Qendrat Kombëtare të Standardeve të Frekuencave

Shumë vende kanë formuar qendra kombëtare të standardeve të kohës dhe frekuencës:

• (VNIIFTRI), fshati Mendeleevo, rajoni i Moskës;
• (NIST), Boulder (SHBA, Kolorado);
• Instituti Kombëtar i Shkencës dhe Teknologjisë Industriale të Avancuar (AIST), Tokio (Japoni);
• Agjencia Federale Fizike dhe Teknike (gjermanisht)(PTB), Braunschweig (Gjermani);
• Laboratori Kombëtar i Metrologjisë dhe Testimit (Frëngjisht)(LNE), Paris (Francë).
• Laboratori Kombëtar Fizik i Mbretërisë së Bashkuar (NPL), Londër, MB.

Shkencëtarët nga vende të ndryshme po punojnë për të përmirësuar orët atomike dhe përcaktojnë standardet primare të kohës dhe frekuencës bazuar në to, saktësia e orëve të tilla po rritet vazhdimisht. Në Rusi, po kryhen kërkime të gjera që synojnë përmirësimin e performancës së orëve atomike.

Llojet e orëve atomike

Jo çdo atom (molekulë) është i përshtatshëm si diskriminues për një orë atomike. Përzgjidhen atomet që janë të pandjeshëm ndaj ndikimeve të ndryshme të jashtme: fusha magnetike, elektrike dhe elektromagnetike. Atome të tilla ka në çdo gamë të spektrit të rrezatimit elektromagnetik. Këto janë: atomet e kalciumit, rubidiumit, ceziumit, stronciumit, molekulat e hidrogjenit, jodit, metanit, oksidit të osmiumit(VIII) etj. Si standard i frekuencës kryesore (primare) u zgjodh tranzicioni hiperfin i atomit të ceziumit. Performanca e të gjitha standardeve të tjera (sekondare) krahasohet me këtë standard. Për të bërë një krahasim të tillë, aktualisht përdoren të ashtuquajturat krehje optike. (anglisht)- rrezatimi me një spektër të gjerë frekuence në formën e linjave të barabarta, distanca midis të cilave është e lidhur me standardin e frekuencës atomike. Krehërat optikë prodhohen duke përdorur një lazer femtosecond të mbyllur me modalitet dhe fibër optike të mikrostrukturuar, në të cilën spektri zgjerohet në një oktavë.

Në vitin 2006, studiues nga Instituti Kombëtar Amerikan i Standardeve dhe Teknologjisë, të udhëhequr nga Jim Bergquist, zhvilluan një orë që funksiononte në një atom të vetëm. Kalimet ndërmjet niveleve të energjisë së jonit të merkurit gjenerojnë fotone në diapazonin e dukshëm me një stabilitet 5 herë më të lartë se rrezatimi i mikrovalës i cezium-133. Ora e re mund të gjejë aplikim edhe në studimet e varësisë së ndryshimeve në konstantet themelore fizike nga koha. Që nga prilli 2015, orët atomike më të sakta ishin ato të krijuara nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë në SHBA. Gabimi ishte vetëm një sekondë në 15 miliardë vjet. Një nga aplikimet e mundshme të orëve ishte gjeodezia relativiste, ideja kryesore e së cilës është përdorimi i një rrjeti orësh si sensorë gravitacionalë, të cilët do të ndihmojnë në kryerjen e matjeve tredimensionale tepër të detajuara të formës së Tokës.

Zhvillimi aktiv i orëve atomike kompakte për përdorim në jetën e përditshme (orë dore, pajisje celulare) është duke u zhvilluar. Në fillim të vitit 2011, një kompani amerikane Simetrik njoftoi lëshimin komercial të një ore atomike cezium në madhësinë e një çipi të vogël. Ora funksionon bazuar në efektin e kapjes koherente të popullsisë. Stabiliteti i tyre është 5 10 -11 në orë, pesha është 35 g, konsumi i energjisë është 115 mW.

Shënime

1. Rekordi i ri i saktësisë së orës atomike është vendosur (e pacaktuar) . Membrana (5 shkurt 2010). Marrë më 4 mars 2011. Arkivuar më 9 shkurt 2012.
2. Frekuencat e treguara janë tipike posaçërisht për rezonatorët e saktë të kuarcit, me faktorin më të lartë të cilësisë dhe stabilitetin e frekuencës që mund të arrihet kur përdoret efekti piezoelektrik. Në përgjithësi, oshilatorët e kuarcit përdoren në frekuenca nga disa kHz deri në disa qindra MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Oscilatorët kristal: Një udhëzues referimi. - M.: Radio dhe Komunikim, 1984. - S. 121, 122. - 232 f. - 27,000 kopje.)
3. N. G. Basov, V. S. Letokhov. Standardet e frekuencës optike. // UFN. - 1968. - T. 96, nr. 12.
4. Laboratorët kombëtarë të metrologjisë (anglisht). NIST, 3 shkurt 2011 (Marrë më 14 qershor 2011)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Ora optike me një atom me saktësi të lartë // Fiz. Rev. Lett. . - American Physical Society, 4 korrik 2006. - Vol. 97, nr. 2. -

MOSKË, 27 tetor – RIA Novosti, Olga Kolentsova.Çfarë është koha? Regjisorët e filmave fantastiko-shkencor besojnë se ky është një lloj dimensioni përmes të cilit mund të lëvizësh. Në botën reale, koha përcaktohet nga pozicioni i objekteve në hapësirë. Teorikisht, nëse mund të kthejmë çdo grimcë në Univers në gjendjen dhe pozicionin në të cilin ishte në një moment të caktuar, ne do të udhëtojmë pas në kohë.

Pra, tani për tani, njohuritë tona bëjnë të mundur përcaktimin e kohës në varësi të ndryshimeve mekanike që ndodhin në botë. Për shembull, një rrotullim i plotë i Tokës rreth boshtit të saj përcakton një ditë, dhe rreth Diellit - një vit. Por njerëzit kanë nevojë ta ndajnë ditën në segmente më të vogla dhe të përcaktuara qartë - orë, minuta, sekonda.

Për të numëruar këto njësi, njerëzit dolën me pajisje speciale - orë. Historia e tyre zgjat me shekuj, dhe krahas teknologjisë, kërkesat për saktësinë e matjes së kohës po rriten. Nëse në jetën e përditshme ia dalim mirë me orët mekanike dhe elektronike, atëherë shkenca kërkon instrumente shumë më të sakta.

Baza për llogaritjen e kohës është një ngjarje e caktuar e përsëritshme kur një objekt kthehet në gjendjen e tij fillestare pas një periudhe kohe të përcaktuar rreptësisht. Për shembull, në një orë mekanike, ingranazhet rrotullohen (ose një lavjerrës lëkundet), dhe në një orë rëre vjen një moment kur të gjitha kokrrat e rërës bien në fund të enës.

Sigurisht, orët moderne elektronike dhe mekanike janë shumë më të sakta se paraardhësit e tyre - uji, rëra dhe dielli. Por disa fusha kërkonin mekanizma edhe më të saktë. Dhe njerëzit krijuan një orë që funksiononte bazuar në proceset që ndodhin brenda atomit.

Siç e dini, një atom përbëhet nga një bërthamë dhe një re elektronike. Elektronet janë të vendosura në nivele të ndryshme të energjisë. Sa më larg të jetë një elektron nga bërthama, aq më shumë energji ka. Imagjinoni një qen të lidhur në një tra çeliku me një zinxhir të fortë por të shtrirë. Sa më tej ajo dëshiron të largohet, aq më shumë duhet të shtrëngojë zinxhirin. Sigurisht, një qen i fortë dhe i madh do të jetë në gjendje të lëvizë më tej se një i vogël dhe i dobët.

© AP Photo/Focke Strangmann

© AP Photo/Focke Strangmann

Kur lëviz në një nivel më të ulët, një elektron lëshon energji, dhe kur lëviz në një nivel më të lartë, ai thith energji. Elektronet "kërcuese" mund të kontrollohen duke përdorur rrezatimin elektromagnetik, i cili është një burim energjie. Rrezatimi ka një frekuencë të caktuar. Kjo vlerë është e kundërta e periudhës së lëkundjes, domethënë koha e nevojshme që një objekt që kryen lëvizje "të mbyllura" të kthehet në gjendjen e tij origjinale.

Orët atomike përdorin kalcium, hidrogjen, thulium, stroncium, rubidium, torium, jod dhe metan, dhe më shpesh cezium. Elektronet në një orë atomike me bazë cezium-133, kur kalojnë nga një nivel energjie në tjetrin, lëshojnë rrezatim elektromagnetik me një frekuencë prej 9,192,631,770 Hz. Është ky numër intervalesh në të cilat ndahet një sekondë në këtë orë natyrore. Sipas përkufizimit të miratuar zyrtarisht në vitin 1967 në Konferencën e Përgjithshme për Peshat dhe Masat, atomi i cezium-133 njihet si standard për matjen e kohës. Saktësia e të dytës përcakton vërtetësinë e njësive të tjera bazë të sasive fizike, si p.sh. volt ose vat, të cilat përcaktohen me kalimin e kohës.

Një orë ultra e saktë funksionon kështu: Cesium-133 nxehet, dhe disa atome largohen nga substanca kryesore dhe më pas kalojnë nëpër një fushë magnetike, e cila eliminon atomet me gjendjet e dëshiruara të energjisë. Atomet e zgjedhura kalojnë nëpër një fushë magnetike me një frekuencë afër frekuencës së rrezatimit elektromagnetik kur një elektron kalon nga një nivel në tjetrin në cezium-133. Nën ndikimin e fushës, atomet ndryshojnë gjendjet energjetike dhe bien mbi një detektor, i cili regjistron momentin kur numri më i madh i atomeve do të ketë gjendjen e dëshiruar energjetike. Pastaj vlera e frekuencës së fushës elektromagnetike futet në ndarësin e frekuencës, i cili përcakton njësinë e tij duke e ndarë të dytën. Rezultati është një "sekondë e re", e marrë si standard i njësisë minimale të kohës.

© Ilustrimi nga RIA Novosti. Alina Polyanina

Orët atomike janë instrumentet më të sakta për matjen e kohës që ekzistojnë sot dhe po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme ndërsa teknologjia moderne zhvillohet dhe bëhet më komplekse.

Parimi i funksionimit

Orët atomike mbajnë kohën e saktë jo falë zbërthimit radioaktiv, siç mund të sugjerojë emri i tyre, por duke përdorur dridhjet e bërthamave dhe elektroneve që i rrethojnë. Frekuenca e tyre përcaktohet nga masa e bërthamës, graviteti dhe "balancuesi" elektrostatik midis bërthamës së ngarkuar pozitivisht dhe elektroneve. Kjo nuk korrespondon plotësisht me një lëvizje të rregullt të orës. Orët atomike janë ruajtës më të besueshëm të kohës sepse lëkundjet e tyre nuk ndryshojnë në varësi të faktorëve mjedisorë si lagështia, temperatura ose presioni.

Evolucioni i orëve atomike

Me kalimin e viteve, shkencëtarët kanë kuptuar se atomet kanë frekuenca rezonante që lidhen me aftësinë e secilit për të absorbuar dhe lëshuar rrezatim elektromagnetik. Në vitet 1930 dhe 1940, komunikimet me frekuencë të lartë dhe pajisjet e radarit u zhvilluan që mund të ndërlidheshin me frekuencat e rezonancës së atomeve dhe molekulave. Kjo kontribuoi në idenë e një ore.

Shembujt e parë u ndërtuan në vitin 1949 nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë (NIST). Amoniaku u përdor si një burim vibrimi. Megjithatë, ato nuk ishin shumë më të sakta se standardi ekzistues i kohës, dhe ceziumi u përdor në gjeneratën e ardhshme.

Standard i ri

Ndryshimi në saktësinë e matjes së kohës ishte aq i madh sa në 1967 Konferenca e Përgjithshme mbi Peshat dhe Masat e përcaktoi SI të dytën si 9,192,631,770 dridhje të një atomi ceziumi në frekuencën e tij rezonante. Kjo do të thoshte se koha nuk ishte më e lidhur me lëvizjen e Tokës. Ora atomike më e qëndrueshme në botë u krijua në vitin 1968 dhe u përdor si pjesë e sistemit të matjes së kohës NIST deri në vitet 1990.

Makinë përmirësuese

Një nga përparimet më të fundit në këtë fushë është ftohja me lazer. Kjo përmirësoi raportin sinjal-zhurmë dhe zvogëloi pasigurinë në sinjalin e orës. Strehimi i këtij sistemi ftohës dhe pajisjeve të tjera të përdorura për të përmirësuar orët e ceziumit do të kërkonte hapësirë ​​sa një makinë hekurudhore, megjithëse versionet komerciale mund të futeshin në një valixhe. Një nga këto instalime laboratorike ruan kohën në Boulder, Kolorado, dhe është ora më e saktë në Tokë. Ata gabojnë vetëm 2 nanosekonda në ditë, ose 1 sekondë në 1.4 milionë vjet.

Teknologji komplekse

Kjo saktësi e madhe është rezultat i një procesi kompleks prodhimi. Së pari, ceziumi i lëngshëm vendoset në një furrë dhe nxehet derisa të kthehet në gaz. Atomet metalike dalin me shpejtësi të madhe përmes një hapjeje të vogël në furre. Elektromagnetët bëjnë që ato të ndahen në rreze të veçanta me energji të ndryshme. Rrezja e kërkuar kalon nëpër një vrimë në formë U, dhe atomet rrezatohen me energji mikrovalore me një frekuencë prej 9,192,631,770 Hz. Falë kësaj, ata janë të ngazëllyer dhe kalojnë në një gjendje tjetër energjie. Fusha magnetike filtron më pas gjendjet e tjera energjetike të atomeve.

Detektori reagon ndaj ceziumit dhe tregon një maksimum në vlerën e saktë të frekuencës. Kjo është e nevojshme për të konfiguruar oshilatorin e kuarcit që kontrollon mekanizmin e orës. Duke pjesëtuar frekuencën e tij me 9.192.631.770 jepet një puls për sekondë.

Jo vetëm cezium

Megjithëse orët më të zakonshme atomike përdorin vetitë e ceziumit, ka lloje të tjera. Ato ndryshojnë në elementin e përdorur dhe mjetet për përcaktimin e ndryshimeve në nivelin e energjisë. Materiale të tjera janë hidrogjeni dhe rubidiumi. Orët atomike të hidrogjenit funksionojnë në mënyrë të ngjashme me orët e ceziumit, por kërkojnë një enë me mure të bërë nga një material i veçantë që parandalon që atomet të humbasin energjinë shumë shpejt. Orët Rubidium janë më të thjeshtat dhe më kompaktet. Në to, një qelizë qelqi e mbushur me gaz rubidium ndryshon thithjen e dritës kur ekspozohet ndaj frekuencës ultra të lartë.

Kush ka nevojë për kohën e saktë?

Sot, koha mund të matet me saktësi ekstreme, por pse është e rëndësishme kjo? Kjo është e nevojshme në sisteme të tilla si telefonat celularë, interneti, GPS, programet e aviacionit dhe televizioni dixhital. Në shikim të parë kjo nuk është e qartë.

Një shembull se si përdoret koha e saktë është në sinkronizimin e paketave. Mijëra thirrje telefonike kalojnë përmes linjës mesatare të komunikimit. Kjo është e mundur vetëm sepse biseda nuk transmetohet plotësisht. Kompania e telekomunikacionit e ndan atë në pako të vogla dhe madje anashkalon disa nga informacionet. Më pas ato kalojnë nëpër linjë së bashku me paketat e bisedave të tjera dhe rikthehen në skajin tjetër pa u përzier. Sistemi i orës së centralit telefonik mund të përcaktojë se cilat pako i përkasin një bisede të caktuar në kohën e saktë të dërgimit të informacionit.

GPS

Një zbatim tjetër i kohës së saktë është një sistem pozicionimi global. Ai përbëhet nga 24 satelitë që transmetojnë koordinatat dhe kohën e tyre. Çdo marrës GPS mund të lidhet me ta dhe të krahasojë kohët e transmetimit. Dallimi i lejon përdoruesit të përcaktojë vendndodhjen e tyre. Nëse këto orë nuk do të ishin shumë të sakta, atëherë sistemi GPS do të ishte jopraktik dhe jo i besueshëm.

Kufiri i perfeksionit

Me zhvillimin e teknologjisë dhe orëve atomike u bënë të dukshme pasaktësitë e Universit. Toka lëviz në mënyrë të pabarabartë, duke shkaktuar ndryshime të rastësishme në gjatësinë e viteve dhe ditëve. Në të kaluarën, këto ndryshime do të kishin kaluar pa u vënë re, sepse mjetet për matjen e kohës ishin shumë të pasakta. Megjithatë, për shumë zhgënjimin e studiuesve dhe shkencëtarëve, koha e orëve atomike duhet të rregullohet për të kompensuar anomalitë e botës reale. Ato janë mjete të mahnitshme që ndihmojnë në avancimin e teknologjisë moderne, por përsosmëria e tyre është e kufizuar nga kufijtë e vendosur nga vetë natyra.

Cilët "orëvënës" shpikën dhe përsosi këtë mekanizëm jashtëzakonisht të saktë? A ka ndonjë zëvendësues për të? Le të përpiqemi ta kuptojmë.

Në vitin 2012, matja e kohës atomike do të festojë dyzet e pesë vjetorin e saj. Në vitin 1967, kategoria e kohës në Sistemin Ndërkombëtar të Njësive filloi të përcaktohet jo nga shkallët astronomike, por nga standardi i frekuencës së ceziumit. Kjo është ajo që njerëzit e thjeshtë e quajnë ora atomike.

Cili është parimi i funksionimit të oshilatorëve atomikë? Këto "pajisje" përdorin nivelet e energjisë kuantike të atomeve ose molekulave si burim të frekuencës rezonante. Mekanika kuantike lidh disa nivele diskrete të energjisë me sistemin "bërthamë atomike - elektrone". Një fushë elektromagnetike e një frekuence të caktuar mund të provokojë një kalim të këtij sistemi nga një nivel i ulët në një më të lartë. Fenomeni i kundërt është gjithashtu i mundur: një atom mund të lëvizë nga një nivel i lartë energjie në një nivel më të ulët duke emetuar energji. Të dy fenomenet mund të kontrollohen dhe këto kërcime të ndërniveleve të energjisë mund të regjistrohen, duke krijuar kështu një pamje të një qarku oscilues. Frekuenca rezonante e këtij qarku do të jetë e barabartë me diferencën e energjisë ndërmjet dy niveleve të tranzicionit të ndarë me konstanten e Planck-ut.

Oscilatori atomik që rezulton ka avantazhe të padyshimta ndaj paraardhësve të tij astronomikë dhe mekanikë. Frekuenca rezonante e të gjitha atomeve të substancës së zgjedhur për oshilatorin do të jetë, ndryshe nga lavjerrësit dhe piezokristalet, e njëjtë. Përveç kësaj, atomet nuk konsumohen ose ndryshojnë vetitë e tyre me kalimin e kohës. Ideale për një kronometër praktikisht të përjetshëm dhe jashtëzakonisht të saktë.

Për herë të parë, mundësia e përdorimit të tranzicioneve të energjisë në atome si një standard frekuence u konsiderua në vitin 1879 nga fizikani britanik William Thomson, i njohur më mirë si Lord Kelvin. Ai propozoi përdorimin e hidrogjenit si burim i atomeve rezonatore. Megjithatë, kërkimi i tij ishte mjaft teorik në natyrë. Shkenca në atë kohë nuk ishte ende gati për të zhvilluar një kronometër atomik.

U deshën pothuajse njëqind vjet që ideja e Lord Kelvin të realizohej. Ishte një kohë e gjatë, por detyra nuk ishte e lehtë. Transformimi i atomeve në lavjerrës idealë doli të ishte më i vështirë në praktikë sesa në teori. Vështirësia qëndronte në betejën me të ashtuquajturën gjerësi rezonante - një luhatje e vogël në frekuencën e përthithjes dhe emetimit të energjisë ndërsa atomet lëvizin nga niveli në nivel. Raporti i frekuencës rezonante me gjerësinë e rezonancës përcakton cilësinë e oshilatorit atomik. Natyrisht, sa më e madhe të jetë vlera e gjerësisë rezonante, aq më e ulët është cilësia e lavjerrësit atomik. Fatkeqësisht, nuk është e mundur të rritet frekuenca rezonante për të përmirësuar cilësinë. Është konstante për atomet e çdo substance specifike. Por gjerësia rezonante mund të reduktohet duke rritur kohën e vëzhgimit të atomeve.

Teknikisht, kjo mund të arrihet si më poshtë: le një oshilator të jashtëm, për shembull kuarc, të gjenerojë periodikisht rrezatim elektromagnetik, duke bërë që atomet e substancës dhuruese të kërcejnë nëpër nivele të energjisë. Në këtë rast, detyra e sintonizuesit atomik të kronografit është të afrojë frekuencën e këtij oshilatori kuarci sa më afër që të jetë e mundur me frekuencën rezonante të tranzicionit ndërnivel të atomeve. Kjo bëhet e mundur në rastin e një periudhe mjaft të gjatë të vëzhgimit të dridhjeve atomike dhe krijimit të reagimeve që rregullojnë frekuencën e kuarcit.

Vërtetë, përveç problemit të zvogëlimit të gjerësisë rezonante në një kronografi atomik, ka shumë probleme të tjera. Ky është efekti Doppler - një zhvendosje në frekuencën rezonante për shkak të lëvizjes së atomeve dhe përplasjeve të ndërsjella të atomeve, duke shkaktuar tranzicione të paplanifikuara të energjisë, madje edhe ndikimin e energjisë së përhapur të materies së errët.

Përpjekja e parë për zbatimin praktik të orëve atomike u bë në vitet tridhjetë të shekullit të kaluar nga shkencëtarët në Universitetin e Kolumbisë nën udhëheqjen e laureatit të ardhshëm të Nobelit Dr. Isidor Rabi. Rabi propozoi përdorimin e izotopit të ceziumit 133 Cs si një burim të atomeve të lavjerrësit. Fatkeqësisht, puna e Rabiut, e cila i interesoi shumë NBS-së, u ndërpre nga Lufta e Dytë Botërore.

Pas përfundimit të tij, epërsia në zbatimin e kronografit atomik i kaloi punonjësit të NBS, Harold Lyons. Oscilatori i tij atomik funksiononte me amoniak dhe dha një gabim të krahasueshëm me shembujt më të mirë të rezonatorëve të kuarcit. Në vitin 1949, ora atomike e amoniakut iu demonstrua publikut të gjerë. Megjithë saktësinë mjaft mesatare, ata zbatuan parimet themelore të gjeneratave të ardhshme të kronografëve atomikë.

Prototipi i një ore atomike ceziumi i marrë nga Louis Essen siguroi një saktësi prej 1 * 10 -9, ndërsa kishte një gjerësi rezonance prej vetëm 340 Hertz

Pak më vonë, profesori i Universitetit të Harvardit, Norman Ramsey, përmirësoi idetë e Isidor Rabi, duke zvogëluar ndikimin e efektit Doppler në saktësinë e matjeve. Ai propozoi, në vend të një atomeve të gjata emocionuese të pulsit me frekuencë të lartë, të përdoreshin dy atome të shkurtër të dërguar në krahët e valëmarrësit në një distancë nga njëri-tjetri. Kjo bëri të mundur zvogëlimin e mprehtë të gjerësisë rezonante dhe në fakt bëri të mundur krijimin e oshilatorëve atomikë që janë një renditje madhësie më e lartë në saktësi ndaj paraardhësve të tyre kuarci.

Në vitet pesëdhjetë të shekullit të kaluar, bazuar në skemën e propozuar nga Norman Ramsey, në Laboratorin Kombëtar Fizik (MB), punonjësi i tij Louis Essen punoi në një oshilator atomik të bazuar në izotopin e ceziumit 133 Cs të propozuar më parë nga Rabi. Ceziumi nuk u zgjodh rastësisht.

Skema e niveleve hiperfine të tranzicionit të atomeve të izotopit cezium-133

Që i përkasin grupit të metaleve alkali, atomet e ceziumit ngacmohen jashtëzakonisht lehtë për të kërcyer midis niveleve të energjisë. Për shembull, një rreze drite mund të eliminojë lehtësisht një rrjedhë elektronesh nga struktura atomike e ceziumit. Për shkak të kësaj vetie, ceziumi përdoret gjerësisht në fotodetektorë.

Dizajni i një oshilatori klasik të ceziumit bazuar në një përcjellës valësh Ramsey

Standardi i parë zyrtar i frekuencës së ceziumit NBS-1

Pasardhësi i NBS-1 - oshilatori NIST-7 përdori pompimin me lazer të një rreze atomesh ceziumi

U deshën më shumë se katër vjet që prototipi i Essen të bëhej një standard i vërtetë. Në fund të fundit, rregullimi i saktë i orëve atomike ishte i mundur vetëm duke krahasuar me njësitë ekzistuese të kohës efemeris. Gjatë katër viteve, oshilatori atomik u kalibrua duke vëzhguar rrotullimin e Hënës rreth Tokës duke përdorur një kamerë precize hënore të shpikur nga Observatori Detar i SHBA-së, William Markowitz.

"Rregullimi" i orëve atomike në efemeris hënore u krye nga viti 1955 deri në 1958, pas së cilës pajisja u njoh zyrtarisht nga NBS si një standard i frekuencës. Për më tepër, saktësia e paparë e orëve atomike të ceziumit e shtyu NBS të ndryshonte njësinë e kohës në standardin SI. Që nga viti 1958, i dyti është miratuar zyrtarisht si "kohëzgjatja e 9,192,631,770 periudhave të rrezatimit që korrespondojnë me kalimin midis dy niveleve hiperfine të gjendjes standarde të një atomi të izotopit cezium-133".

Pajisja e Louis Essen u quajt NBS-1 dhe u konsiderua standardi i parë i frekuencës së ceziumit.

Gjatë tridhjetë viteve të ardhshme, u zhvilluan gjashtë modifikime të NBS-1, më e fundit prej të cilave, NIST-7, e krijuar në 1993 duke zëvendësuar magnetet me kurthe lazer, siguron një saktësi prej 5 * 10 -15 me një gjerësi rezonante prej vetëm gjashtëdhjetë. - dy herc.

Tabela krahasuese e karakteristikave të standardeve të frekuencës së ceziumit të përdorura nga NBS

Pajisjet NBS janë stendë të palëvizshme, gjë që lejon që ato të klasifikohen si standarde dhe jo si oshilatorë të përdorur praktikisht. Por për qëllime thjesht praktike, Hewlett-Packard punoi për përfitimin e standardit të frekuencës së ceziumit. Në vitin 1964, gjigandi i ardhshëm kompjuterik krijoi një version kompakt të standardit të frekuencës së ceziumit - pajisjen HP 5060A.

Kalibruar duke përdorur standardet NBS, standardet e frekuencës HP 5060 përshtaten në një raft tipik të pajisjeve radio dhe ishin një sukses komercial. Ishte falë standardit të frekuencës së ceziumit të vendosur nga Hewlett-Packard që saktësia e paparë e orëve atomike u përhap gjerësisht.

Hewlett-Packard 5060A.

Si rezultat, gjëra të tilla si televizioni satelitor dhe komunikimet, sistemet globale të navigimit dhe shërbimet e sinkronizimit të kohës së rrjetit të informacionit u bënë të mundura. Ka pasur shumë aplikime për teknologjinë e industrializuar të kronografisë atomike. Në të njëjtën kohë, Hewlett-Packard nuk u ndal me kaq dhe vazhdimisht po përmirëson cilësinë e standardeve të ceziumit dhe peshën dhe dimensionet e tyre.

Familja e orëve atomike Hewlett-Packard

Në vitin 2005, divizioni i orës atomike të Hewlett-Packard iu shit Simmetricom.

Së bashku me ceziumin, rezervat e të cilit në natyrë janë shumë të kufizuara, dhe kërkesa për të në një sërë fushash teknologjike është jashtëzakonisht e lartë, rubidiumi, vetitë e të cilit janë shumë afër ceziumit, u përdor si një substancë dhuruese.

Duket se skema ekzistuese e orës atomike është sjellë në përsosmëri. Ndërkohë, ai kishte një të metë të bezdisshme, eliminimi i të cilit u bë i mundur në gjeneratën e dytë të standardeve të frekuencës së ceziumit, të quajtura shatërvanët e ceziumit.

Shatërvanet e kohës dhe melasa optike

Megjithë saktësinë më të lartë të kronometrit atomik NIST-7, i cili përdor zbulimin me lazer të gjendjes së atomeve të ceziumit, dizajni i tij nuk është thelbësisht i ndryshëm nga modelet e versioneve të para të standardeve të frekuencës së ceziumit.

Një disavantazh i projektimit i të gjitha këtyre skemave është se është thelbësisht e pamundur të kontrollohet shpejtësia e përhapjes së një tufe atomesh ceziumi që lëviz në një përcjellës valësh. Dhe kjo përkundër faktit se shpejtësia e lëvizjes së atomeve të ceziumit në temperaturën e dhomës është njëqind metra në sekondë. Shumë shpejt.

Kjo është arsyeja pse të gjitha modifikimet e standardeve të ceziumit janë një kërkim për një ekuilibër midis madhësisë së valëmarrësit, i cili ka kohë të ndikojë në atomet e shpejta të ceziumit në dy pika, dhe saktësisë së zbulimit të rezultateve të këtij ndikimi. Sa më i vogël të jetë përcjellësi i valës, aq më e vështirë është të bëhen impulse elektromagnetike të njëpasnjëshme që prekin të njëjtat atome.

Po sikur të gjejmë një mënyrë për të zvogëluar shpejtësinë e atomeve të ceziumit? Ishte kjo ide që preokupoi studentin e MIT, Jerold Zacharius, i cili studioi ndikimin e gravitetit në sjelljen e atomeve në fund të dyzetave të shekullit të kaluar. Më vonë, i përfshirë në zhvillimin e një varianti të standardit të frekuencës së ceziumit Atomichron, Zacharius propozoi idenë e një shatërvani ceziumi - një metodë për të ulur shpejtësinë e atomeve të ceziumit në një centimetër në sekondë dhe për të hequr qafe valëzuesin me dy krahë. të oshilatorëve tradicionalë atomik.

Ideja e Zakarit ishte e thjeshtë. Po sikur të nxirrni atomet e ceziumit vertikalisht brenda një oshilatori? Pastaj të njëjtat atome do të kalojnë nëpër detektor dy herë: një herë gjatë udhëtimit lart dhe përsëri poshtë, ku ata do të nxitojnë nën ndikimin e gravitetit. Në këtë rast, lëvizja në rënie e atomeve do të jetë dukshëm më e ngadaltë se ngritja e tyre, sepse gjatë udhëtimit të tyre në shatërvan ata do të humbasin energji. Fatkeqësisht, në vitet pesëdhjetë të shekullit të kaluar, Zacharius nuk ishte në gjendje të realizonte idetë e tij. Në konfigurimin e tij eksperimental, atomet që lëviznin lart ndërvepruan me ato që bien poshtë, gjë që ngatërroi saktësinë e zbulimit.

Ideja e Zakarit u kthye vetëm në vitet tetëdhjetë. Shkencëtarët në Universitetin e Stanfordit, të udhëhequr nga Steven Chu, kanë gjetur një mënyrë për të realizuar shatërvanin Zacharius duke përdorur një metodë që ata e quajnë "melasa optike".

Në shatërvanin e Chu ceziumit, një re e atomeve të ceziumit e ndezur lart ftohet paraprakisht nga një sistem prej tre palësh lazerësh të drejtuar kundër, që kanë një frekuencë rezonante pak më poshtë rezonancës optike të atomeve të ceziumit.

Skema e një shatërvani ceziumi me melasa optike.

Atomet e ceziumit të ftohur me lazer fillojnë të lëvizin ngadalë, sikur përmes melasës. Shpejtësia e tyre bie në tre metra në sekondë. Ulja e shpejtësisë së atomeve u jep studiuesve mundësinë për të zbuluar më saktë gjendjet (duhet ta pranoni se është shumë më e lehtë të shihni targat e një makine që lëviz me një shpejtësi prej një kilometër në orë sesa një makinë që lëviz me një shpejtësi prej njëqind kilometra në orë).

Një top me atome ceziumi të ftohur niset lart rreth një metër, duke kaluar një valëdhënës përgjatë rrugës, përmes të cilit atomet ekspozohen ndaj një fushe elektromagnetike të një frekuence rezonante. Dhe detektori i sistemit regjistron ndryshimin në gjendjen e atomeve për herë të parë. Pasi kanë arritur "tavanin", atomet e ftohur fillojnë të bien për shkak të gravitetit dhe kalojnë nëpër valëzues për herë të dytë. Në rrugën e kthimit, detektori regjistron sërish gjendjen e tyre. Meqenëse atomet lëvizin jashtëzakonisht ngadalë, fluturimi i tyre në formën e një reje mjaft të dendur është i lehtë për t'u kontrolluar, që do të thotë se në shatërvan nuk do të ketë atome që fluturojnë lart e poshtë në të njëjtën kohë.

Objekti i shatërvanit të ceziumit të Chu u miratua nga NBS si një standard frekuencash në 1998 dhe u emërua NIST-F1. Gabimi i tij ishte 4 * 10 -16, që do të thotë se NIST-F1 ishte më i saktë se paraardhësi i tij NIST-7.

Në fakt, NIST-F1 arriti kufirin e saktësisë në matjen e gjendjes së atomeve të ceziumit. Por shkencëtarët nuk u ndalën në këtë fitore. Ata vendosën të eliminojnë gabimin që rrezatimi i trupit të zi fut në funksionimin e orëve atomike - rezultat i ndërveprimit të atomeve të ceziumit me rrezatimin termik të trupit të instalimit në të cilin lëvizin. Kronografi i ri atomik NIST-F2 vendosi një shatërvan ceziumi në një dhomë kriogjenike, duke reduktuar rrezatimin e trupit të zi pothuajse në zero. Gabimi NIST-F2 është një 3*10 -17 e pabesueshme.

Grafiku i reduktimit të gabimeve të varianteve standarde të frekuencës së ceziumit

Aktualisht, orët atomike të bazuara në burimet e ceziumit i ofrojnë njerëzimit standardin më të saktë të kohës, në lidhje me të cilin rreh pulsi i qytetërimit tonë teknogjen. Falë trukeve inxhinierike, maserët e hidrogjenit pulsues që ftohin atomet e ceziumit në versionet e palëvizshme të NIST-F1 dhe NIST-F2 u zëvendësuan nga një rreze lazer konvencionale që punon së bashku me një sistem magneto-optik. Kjo bëri të mundur krijimin e versioneve kompakte dhe shumë rezistente të standardeve NIST-Fx që mund të përdoren në anijen kozmike. Të quajtura në mënyrë mjaft imagjinative "Aerospace Cold Atom Clock", këto standarde frekuence janë instaluar në satelitët e sistemeve të navigimit si GPS, gjë që siguron sinkronizimin e tyre mahnitës për të zgjidhur problemin e llogaritjes shumë të saktë të koordinatave të marrësve GPS të përdorur në pajisjet tona.

Një version kompakt i orës atomike të shatërvanit të ceziumit, i quajtur "Aerospace Cold Atom Clock", përdoret në satelitët GPS.

Llogaritja e referencës së kohës kryhet nga një "ansambël" prej dhjetë NIST-F2 të vendosura në qendra të ndryshme kërkimore që bashkëpunojnë me NBS. Vlera e saktë e sekondës atomike merret kolektivisht, duke eliminuar kështu gabimet e ndryshme dhe ndikimin e faktorit njerëzor.

Megjithatë, është e mundur që një ditë standardi i frekuencës së ceziumit do të perceptohet nga pasardhësit tanë si një mekanizëm shumë i papërpunuar për matjen e kohës, ashtu siç ne tani shohim me përbuzje lëvizjet e lavjerrësit në orët mekanike të gjyshit të paraardhësve tanë.

A keni vënë re ndonjëherë se orët tuaja në shtëpinë tuaj tregojnë kohë të ndryshme? Dhe si e dini se cili nga të gjitha opsionet është i saktë? Ne do të mësojmë përgjigjet e të gjitha këtyre pyetjeve duke studiuar plotësisht parimin e funksionimit të orëve atomike.

Ora atomike: përshkrimi dhe parimi i funksionimit

Le të kuptojmë së pari se çfarë është mekanizmi i orës atomike. Një orë atomike është një pajisje me të cilën matet koha, por ajo përdor dridhjet e veta si periodicitet të procesit, dhe gjithçka ndodh në nivelin atomik dhe molekular. Prandaj një saktësi e tillë.

Është e sigurt të thuhet se orët atomike janë më të sakta! Falë tyre funksionon interneti dhe navigimi GPS në botë, ne e dimë vendndodhjen e saktë të planetëve në sistemin diellor. Gabimi i kësaj pajisjeje është aq minimal sa mund të themi me siguri se ato janë të klasit botëror! Falë orës atomike, ndodh i gjithë sinkronizimi botëror, dihet se ku ndodhen ndryshime të caktuara.

Kush e shpiku, kush krijoi dhe gjithashtu kush e shpiku këtë orë mrekullie?

Në fillim të viteve dyzet të shekullit të njëzetë, dihej për rrezen atomike të rezonancës magnetike. Në fillim, aplikimi i tij nuk kishte të bënte me orët - ishte vetëm një teori. Por tashmë në 1945, Isidor Rabi propozoi krijimin e një pajisjeje, koncepti i së cilës ishte se ata do të punonin bazuar në teknikën e përshkruar më sipër. Por ato ishin të dizajnuara në atë mënyrë që të mos tregonin rezultate të sakta. Dhe tashmë në vitin 1949, Byroja Kombëtare e Standardeve njoftoi të gjithë botën për krijimin e orës së parë atomike, e cila bazohej në përbërjet molekulare të amoniakut, dhe tashmë në 1952, teknologjitë u zotëruan për të krijuar një prototip të bazuar në atomet e ceziumit.

Duke dëgjuar për atomet e amoniakut dhe ceziumit, lind pyetja: a është radioaktive kjo orë e mrekullueshme? Përgjigja është e qartë - jo! Nuk ka prishje atomike në to.

Në ditët e sotme, ka shumë materiale nga të cilat bëhen orët atomike. Për shembull, ky është silikoni, kuarci, alumini dhe madje edhe argjendi.

Si funksionon pajisja?

Le të kuptojmë se si duket një orë e energjisë atomike dhe si funksionon. Për ta bërë këtë, ne ofrojmë një përshkrim të punës së tyre:

Për funksionimin e saktë të kësaj ore të veçantë, nuk nevojitet as një lavjerrës dhe as një oshilator kuarci. Ata përdorin sinjale që dalin nga kalimi kuantik i një elektroni të vetëm midis dy niveleve të energjisë të një atomi. Si rezultat, ne jemi në gjendje të vëzhgojmë një valë elektromagnetike. Me fjalë të tjera, marrim luhatje të shpeshta dhe një nivel jashtëzakonisht të lartë të stabilitetit të sistemit. Çdo vit, për shkak të zbulimeve të reja, proceset modernizohen. Pak kohë më parë, specialistë nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë (NIST) u bënë mbajtës të rekordeve, duke vendosur një rekord absolut botëror. Ata ishin në gjendje të sillnin saktësinë e orës atomike (bazuar në stroncium) në devijimin shumë minimal, domethënë: në 15 miliardë vjet një sekondë kalon. Po, po, nuk e keni menduar kështu, kjo është pikërisht mosha që i është caktuar aktualisht Universit tonë. Ky është një zbulim kolosal! Në fund të fundit, ishte stroncium që luajti rolin më të rëndësishëm në këtë rekord. Një analog i "këpushave" ishin atomet e lëvizshme të stronciumit në rrjetën e saj hapësinore, të cilat shkencëtarët krijuan duke përdorur një lazer. Si gjithmonë në shkencë, në teori gjithçka duket magjepsëse dhe tashmë e përmirësuar, por paqëndrueshmëria e një sistemi të tillë mund të rezultojë të jetë më pak e gëzueshme në praktikë. Është pikërisht për shkak të paqëndrueshmërisë së tij që pajisja e ceziumit ka fituar popullaritet në mbarë botën.

Tani le të shohim se nga përbëhet një pajisje e tillë. Detajet kryesore këtu janë:

• diskriminues kuantik;
• gjenerator kuarci;
• elektronikë.

Një oshilator kuarci është i ngjashëm me një vetë-oshilator, por për të prodhuar një element rezonant, ai përdor mënyra piezoelektrike të një kristali kuarci.

Duke pasur një diskriminues kuantik dhe një oshilator kuarci, nën ndikimin e frekuencës së tyre, ato krahasohen dhe kur zbulohet një ndryshim, qarku i reagimit kërkon që oshilatori i kuarcit të përshtatet në vlerën e kërkuar dhe të rrisë stabilitetin dhe saktësinë. Si rezultat, në dalje shohim vlerën e saktë në dial, dhe për rrjedhojë kohën e saktë.

Modelet e hershme ishin mjaft të mëdha në përmasa, por në tetor 2013, kompania Bathys Hawaii bëri bujë duke lëshuar një orë dore miniaturë atomike Në fillim të gjithë e morën këtë deklaratë si shaka, por shpejt u bë e qartë se ishte me të vërtetë e vërtetë funksionon në bazë të një burimi atomik të Ceziumit 133 Siguria e pajisjes sigurohet nga fakti që elementi radioaktiv është i përfshirë në formën e një gazi në një kapsulë të veçantë. Një foto e kësaj pajisjeje është përhapur në të gjithë botën.

Shumë njerëz në temën e orëve atomike janë të interesuar për çështjen e burimit të energjisë. Një bateri litium-jon përdoret si bateri. Por mjerisht, ende nuk dihet se sa do të zgjasë një bateri e tillë.

Ora e BathysHawaii ishte me të vërtetë ora e parë e dorës atomike. Më parë, kishte raste të njohura të lëshimit të një pajisjeje relativisht të lëvizshme, por, për fat të keq, ajo nuk kishte një burim energjie atomike, por sinkronizohej vetëm me një orë reale dimensionale përmes radios pa tel. Vlen gjithashtu të përmendet kostoja e një vegël të tillë. Kënaqësia vlerësohej në 12 mijë dollarë amerikanë. Ishte e qartë se me një çmim të tillë ora nuk do të fitonte popullaritet të gjerë, por kompania nuk u përpoq për këtë, sepse e lëshoi ​​atë në një grup shumë të kufizuar.

Ne njohim disa lloje të orëve atomike. Nuk ka dallime të rëndësishme në dizajnin dhe parimet e tyre, por ka ende disa dallime. Pra, kryesoret janë mjetet e gjetjes së ndryshimeve dhe elementet e tyre. Mund të dallohen llojet e mëposhtme të orëve:

1. Hidrogjeni. Thelbi i tyre qëndron në faktin se atomet e hidrogjenit mbështeten në nivelin e kërkuar të energjisë, por muret janë bërë nga një material i veçantë. Bazuar në këtë, arrijmë në përfundimin se janë atomet e hidrogjenit që shumë shpejt humbasin gjendjen e tyre energjetike.
2. Cezium. Ato bazohen në trarët e ceziumit. Vlen të përmendet se këto orë janë më të sakta.
3. Rubidiumi. Ato janë më të thjeshtat dhe shumë kompakte.

Siç u përmend më herët, orët atomike janë një vegël shumë e shtrenjtë. Kështu, ora e xhepit Hoptroff nr. 10 është një përfaqësues i ndritshëm i një brezi të ri lodrash. Çmimi i një aksesori kaq elegant dhe shumë preciz është 78 mijë dollarë. Janë prodhuar vetëm 12 kopje. Mekanizmi i kësaj pajisjeje përdor një sistem oscilues me frekuencë të lartë, i cili është i pajisur edhe me një sinjal GPS.

Kompania nuk u ndal me kaq, dhe në versionin e saj të dhjetë të orës ajo dëshiron të përdorë metodën e vendosjes së mekanizmit në një kuti ari, e cila do të printohet në një printer popullor 3D. Ende nuk është llogaritur saktësisht se sa ari do të përdoret për këtë version të kasës, por çmimi i vlerësuar me pakicë i kësaj kryevepre tashmë dihet - ishte rreth 50 mijë sterlina. Dhe ky nuk është çmimi përfundimtar, megjithëse merr parasysh të gjitha vëllimet e kërkimit, si dhe risinë dhe veçantinë e vetë veglës.

Fakte historike rreth përdorimit të orëve

Si mund të flasim për orët atomike pa përmendur faktet më interesante që lidhen me to dhe kohën në përgjithësi:

1. A e dini se ora më e vjetër diellore është gjetur në Egjiptin e lashtë?
2. Gabimi i orëve atomike është minimal - është vetëm 1 sekondë për 6 milion vjet.
3. Të gjithë e dinë se ka 60 sekonda në një minutë. Por pak njerëz janë thelluar në sa milisekonda janë në një sekondë? Dhe nuk ka shumë dhe jo pak prej tyre - një mijë!
4. Çdo turist që ishte në gjendje të vizitonte Londrën gjithmonë donte të shihte Big Benin me sytë e tij. Por për fat të keq, jo shumë njerëz e dinë se Big Ben nuk është aspak një kullë, por emri i një kambane të madhe që peshon 13 tonë dhe kumbon brenda kullës.
5. A keni menduar ndonjëherë pse akrepat e orëve tona shkojnë nga e majta në të djathtë ose, siç thoshim ne, "në drejtim të akrepave të orës"? Ky fakt lidhet drejtpërdrejt me mënyrën se si hija lëviz në një orë diellore.
6. Orët e para të dorës u shpikën në 1812. Ato u bënë nga themeluesi i Breguet për Mbretëreshën e Napolitanit.
7. Para Luftës së Parë Botërore, orët e dorës konsideroheshin vetëm një aksesor për femra, por shumë shpejt, për shkak të komoditetit, ato u zgjodhën edhe nga pjesa mashkullore e popullsisë.