Водороден атомен часовник. Как работят атомните часовници?

Когато светлината внезапно изгасне и се включи отново малко по-късно, как да разберете колко часа да настроите часовника? Да, говоря за електронни часовници, които сигурно много от нас имат. Замисляли ли сте се как се регулира времето? В тази статия ще научим всичко за атомния часовник и как той кара целия свят да тиктака.

Атомните часовници показват времето по-добре от всеки друг часовник. Те показват времето по-добре от въртенето на Земята и движението на звездите. Без атомни часовници GPS навигацията би била невъзможна, нямаше да бъде синхронизирана и позициите на планетите не биха били известни с достатъчна точност за космически сонди и превозни средства.

Атомните часовници не са радиоактивни. Те не разчитат на атомно делене. Освен това има пружина, както обикновен часовник. Най-голямата разлика между стандартния часовник и атомния часовник е, че колебанията в атомния часовник възникват в ядрото на атома между електроните, които го заобикалят. Тези колебания едва ли са успоредни на колелото на баланса на часовника с навиване, но и двата вида колебания могат да се използват за проследяване на времето. Честотата на вибрациите в атома се определя от масата на ядрото, гравитацията и електростатичната „пружина“ между положителния заряд на ядрото и облака от електрони около него.

Какви видове атомни часовници познаваме?

Днес има различни видове атомни часовници, но те са изградени на едни и същи принципи. Основната разлика се отнася до елемента и средствата за откриване на промени в енергийните нива. Различните видове атомни часовници включват следното:

• Цезиеви атомни часовници, използващи лъчи от цезиеви атоми. Часовникът разделя цезиевите атоми с различни енергийни нива с помощта на магнитно поле.
• Водороден атомен часовник поддържа водородните атоми на правилното енергийно ниво в контейнер, чиито стени са направени от специален материал, така че атомите да не губят високоенергийното си състояние твърде бързо.
• Рубидиевите атомни часовници, най-простите и компактни от всички, използват стъклена клетка, съдържаща газ рубидий.

Най-точните атомни часовници днес използват цезиев атом и конвенционално магнитно поле с детектори. В допълнение, цезиевите атоми се задържат от лазерните лъчи, което намалява малките промени в честотата, дължащи се на ефекта на Доплер.

Как работят базираните на цезий атомни часовници?

Атомите имат характерна честота на вибрация. Познат пример за честота е оранжевото сияние на натрия в трапезната сол, когато се хвърли в огън. Един атом има много различни честоти, някои в радиообхвата, други във видимия спектър, а други между тях. Цезий-133 най-често се избира за атомни часовници.

За да накарате цезиевите атоми да резонират в атомен часовник, един от преходите или резонансната честота трябва да бъде точно измерен. Това обикновено се прави чрез заключване на кристален осцилатор във основния микровълнов резонанс на цезиевия атом. Този сигнал е в микровълновия диапазон на радиочестотния спектър и има същата честота като директно излъчваните сателитни сигнали. Инженерите знаят как да създадат оборудване за този регион на спектъра, в много детайли.

За да се създаде часовник, цезият първо се нагрява, така че атомите да се изпарят и да преминат през тръба с висок вакуум. Те първо преминават през магнитно поле, което избира атоми с желаното енергийно състояние; след това преминават през интензивно микровълново поле. Честотата на микровълновата енергия скача напред-назад в тесен диапазон от честоти, така че в определен момент достига честота от 9 192 631 770 херца (Hz или цикли в секунда). Обхватът на микровълновия осцилатор вече е близо до тази честота, защото се произвежда от прецизен кристален осцилатор. Когато цезиевият атом получи микровълнова енергия с желаната честота, той променя енергийното си състояние.

В края на тръбата друго магнитно поле разделя атомите, които са променили енергийното си състояние, ако микровълновото поле е с правилната честота. Детекторът в края на тръбата произвежда изходен сигнал, пропорционален на броя цезиеви атоми, които го удрят, и достига пик, когато честотата на микровълните е достатъчно правилна. Този пиков сигнал е необходим за корекция, за да доведе кристалния осцилатор и следователно микровълновото поле до желаната честота. След това тази блокирана честота се разделя на 9 192 631 770, за да се получи познатият един импулс в секунда, от който се нуждае реалният свят.

Кога е изобретен атомният часовник?

През 1945 г. професорът по физика от Колумбийския университет Изидор Раби предложи часовник, който може да бъде направен въз основа на техники, разработени през 30-те години на миналия век. Наричаше се атомно-лъчев магнитен резонанс. До 1949 г. Националното бюро по стандартизация обявява създаването на първия в света атомен часовник, базиран на молекулата на амоняка, чиито вибрации се разчитат, а до 1952 г. създава първия в света атомен часовник, базиран на цезиеви атоми, NBS-1.

През 1955 г. Националната физическа лаборатория в Англия създава първия часовник, използващ цезиев лъч като източник за калибриране. През следващото десетилетие бяха създадени по-модерни часовници. През 1967 г., по време на 13-та Генерална конференция по мерки и теглилки, секундата в SI е определена въз основа на вибрациите в атома на цезия. В световната система за отчитане на времето нямаше по-точна дефиниция от тази. NBS-4, най-стабилният цезиев часовник в света, беше завършен през 1968 г. и беше в употреба до 1990 г.

През 1999 г. NBS, преименуван на NIST, започна да използва часовника NIST-F1, който беше с точност до една секунда от 20 милиона години.

Как се измерва атомното време?

Правилната честота за резонанс на цезиева частица днес се определя от международно споразумение на 9 192 631 770 херца, така че разделянето на изходния сигнал на това число трябва да доведе до 1 Hz или 1 цикъл в секунда.

Точността на измерване на времето е милион пъти по-голяма от тази на астрономическите методи. Днес тя губи една секунда на всеки пет милиарда години.

Често чуваме фразата, че атомните часовници винаги показват точния час. Но от името им е трудно да се разбере защо атомните часовници са най-точни или как работят.

Това, че името съдържа думата „атомен“, не означава, че часовникът представлява опасност за живота, дори ако мислите за атомна бомба или атомна електроцентрала веднага идват на ум. В случая говорим само за принципа на работа на часовника. Ако в обикновения механичен часовник колебателните движения се извършват от зъбни колела и техните движения се отчитат, то в атомния часовник се отчитат трептенията на електроните вътре в атомите. За да разберем по-добре принципа на действие, нека си припомним физиката на елементарните частици.

Всички вещества в нашия свят са изградени от атоми. Атомите се състоят от протони, неутрони и електрони. Протоните и неутроните се комбинират помежду си, за да образуват ядро, което също се нарича нуклон. Електроните се движат около ядрото, което може да бъде на различни енергийни нива. Най-интересното е, че при поглъщане или освобождаване на енергия електронът може да премине от енергийното си ниво към по-високо или по-ниско. Електронът може да получи енергия от електромагнитно излъчване, като поглъща или излъчва електромагнитно излъчване с определена честота при всеки преход.

Най-често има часовници, в които за смяна се използват атоми на елемента Цезий -133. Ако за 1 секунда махалото редовен часовникправи 1 трептящо движение, след което електроните в атомните часовницибазирани на цезий-133, при преход от едно енергийно ниво към друго те излъчват електромагнитно излъчване с честота 9192631770 Hz. Оказва се, че една секунда се дели на точно толкова интервали, ако се изчислява в атомни часовници. Тази стойност е официално приета от международната общност през 1967 г. Представете си огромен циферблат с не 60, а 9192631770 деления, които съставляват само 1 секунда. Не е изненадващо, че атомните часовници са толкова точни и имат редица предимства: атомите не са подложени на стареене, не се износват и честотата на трептене винаги ще бъде една и съща за един химически елемент, благодарение на което е възможно синхронно сравнявайте, например, показанията на атомните часовници далеч в космоса и на Земята, без страх от грешки.

Благодарение на атомните часовници човечеството успя да тества на практика правилността на теорията на относителността и да се увери, че тя е по-добра, отколкото на Земята. Атомните часовници са инсталирани на много спътници и космически кораби, използват се за телекомуникационни нужди, за мобилни комуникации и се използват за сравняване на точното време на цялата планета. Без преувеличение, благодарение на изобретяването на атомните часовници човечеството успя да навлезе в ерата на високите технологии.

Как работят атомните часовници?

Цезий-133 се нагрява чрез изпаряване на цезиеви атоми, които преминават през магнитно поле, където се избират атоми с желаните енергийни състояния.

След това избраните атоми преминават през магнитно поле с честота, близка до 9192631770 Hz, което се създава от кварцов осцилатор. Под въздействието на полето цезиевите атоми отново променят енергийните си състояния и попадат на детектор, който записва кога най-голям брой входящи атоми ще имат „правилното“ енергийно състояние. Максималният брой атоми с променено енергийно състояние показва, че честотата на микровълновото поле е избрана правилно и след това стойността му се подава в електронно устройство - честотен делител, който, намалявайки честотата с цял брой пъти, получава числото 1, което е референтната секунда.

По този начин цезиевите атоми се използват за проверка на правилната честота на магнитното поле, произведено от кристалния осцилатор, като помагат за поддържането му на постоянна стойност.

Това е интересно: Въпреки че настоящите атомни часовници са безпрецедентно точни и могат да работят милиони години без грешки, физиците няма да спрат дотук. Използвайки атоми на различни химични елементи, те непрекъснато работят за подобряване на точността на атомните часовници. Сред най-новите изобретения е атомният часовник стронций, които са три пъти по-точни от своя цезиев аналог. За да изостанат само за секунда, ще им трябват 15 милиарда години - време, надхвърлящо възрастта на нашата Вселена...

Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.

Първо, човечеството използва часовниците като средство за контрол на програмното време.

Второ, днес измерването на времето е най-точният вид измерване от всички: точността на измерването на времето сега се определя от невероятна грешка от порядъка на 1·10-11%, или 1 s за 300 хиляди години.

И съвременните хора постигнаха такава точност, когато започнаха да използват атоми, които в резултат на своите трептения са регулатор на атомния часовник. Атомите на цезия са в две енергийни състояния, от които се нуждаем (+) и (-). Електромагнитно излъчване с честота 9 192 631 770 херца се получава, когато атомите преминават от състояние (+) в състояние (-), създавайки прецизен, постоянен периодичен процес - регулатор на кода на атомния часовник.

За да работят атомните часовници точно, цезият трябва да се изпари в пещ, процес, който освобождава неговите атоми. Зад пещта има сортиращ магнит, който има капацитет на атоми в състояние (+), а в него, поради облъчване в микровълновото поле, атомите преминават в състояние (-). Вторият магнит насочва атомите, които са променили състоянието (+) на (-) в приемащото устройство. Много атоми, които са променили състоянието си, се получават само ако честотата на микровълновия излъчвател съвпада точно с честотата на цезиевата вибрация от 9 192 631 770 херца. В противен случай броят на атомите (-) в приемното устройство намалява.

Уредите постоянно следят и регулират постоянната честота от 9 192 631 770 херца. Това означава, че мечтата на дизайнерите на часовници се сбъдна, открит е абсолютно постоянен периодичен процес: честота от 9 192 631 770 херца, която регулира хода на атомните часовници.

Днес, в резултат на международно споразумение, една секунда се определя като период на излъчване, умножен по 9 192 631 770, съответстващ на прехода между две свръхфини структурни нива на основното състояние на цезиевия атом (изотоп цезий-133).

За да измерите точното време, можете също да използвате вибрации на други атоми и молекули, като атоми на калций, рубидий, цезий, стронций, водородни молекули, йод, метан и др. Излъчването на цезиевия атом обаче се разпознава като честота стандартен. За да се сравнят вибрациите на различни атоми със стандарт (цезий), е създаден титаниево-сапфирен лазер, който генерира широк диапазон от честоти в диапазона от 400 до 1000 nm.

Първият създател на кварцови и атомни часовници е английски физик експериментатор Есен Луис (1908-1997). През 1955 г. той създава първия стандарт за атомна честота (време), използвайки лъч цезиеви атоми. В резултат на тази работа, 3 години по-късно (1958 г.) възниква времева услуга, базирана на атомния честотен стандарт.

В СССР акад. Николай Генадиевич Басов представи своите идеи за създаване на атомен часовник.

Така, атомен часовник,Един от прецизните видове часовници е устройство за измерване на времето, при което естествените вибрации на атоми или молекули се използват като махало. Стабилността на атомните часовници е най-добрата сред всички съществуващи видове часовници, което е ключът към най-високата точност. Генераторът на атомен часовник произвежда повече от 32 768 импулса в секунда, за разлика от конвенционалните часовници. Атомните вибрации не зависят от температурата на въздуха, вибрациите, влажността и много други външни фактори.

В съвременния свят, когато просто не можете без навигация, атомните часовници са станали незаменими помощници. Те са способни да определят местоположението на космически кораб, сателит, балистична ракета, самолет, подводница, автомобил автоматично чрез сателитна комуникация.

Така през последните 50 години атомните часовници или по-точно цезиевите часовници се смятат за най-точни. Те отдавна се използват от службите за време, а сигналите за време се излъчват и от някои радиостанции.

Устройството на атомния часовник се състои от 3 части:

квантов дискриминатор,

кварцов осцилатор,

комплекс по електроника.

Кварцовият осцилатор генерира честота (5 или 10 MHz). Осцилаторът е RC радиогенератор, който използва пиезоелектрични режими на кварцов кристал като резонансен елемент, където се сравняват атоми, които са променили състоянието (+) към (-).За да се увеличи стабилността, честотата му постоянно се сравнява с трептенията на квантов дискриминатор (атоми или молекули). Когато възникне разлика в трептенията, електрониката настройва честотата на кварцовия осцилатор до нула, като по този начин повишава стабилността и точността на часовника до желаното ниво.

В съвременния свят атомните часовници могат да се произвеждат във всяка страна по света за използване в ежедневието. Те са много малки на размер и красиви. Най-новият атомен часовник не е по-голям от кибритена кутия и има ниска консумация на енергия под 1 ват. И това не е границата, може би в бъдеще техническият прогрес ще достигне и до мобилните телефони. Междувременно компактни атомни часовници се инсталират само на стратегически ракети, за да увеличат многократно точността на навигацията.

Днес мъжки и дамски атомни часовници за всеки вкус и бюджет могат да бъдат закупени в онлайн магазини.

През 2011 г. най-малкият атомен часовник в света е създаден от специалисти от Symmetricom и Sandia National Laboratories. Този часовник е 100 пъти по-компактен от предишните налични в търговската мрежа версии. Размерът на атомния хронометър не е по-голям от кибритена кутия. За да работи, той се нуждае само от 100 mW мощност - това е 100 пъти по-малко в сравнение с предшествениците му.

Възможно е да се намали размерът на часовника, като се инсталира вместо пружини и зъбни колела механизъм, който работи на принципа на определяне на честотата на електромагнитните вълни, излъчвани от цезиеви атоми под въздействието на лазерен лъч с незначителна мощност.

Такива часовници се използват в навигацията, както и в работата на миньори, водолази, където е необходимо точно да се синхронизира времето с колегите на повърхността, както и услуги за точно време, тъй като грешката на атомните часовници е по-малка от 0,000001 фракции от секунда на ден. Цената на рекордно малкия атомен часовник Symmetricom беше около 1500 долара.

Нов тласък в развитието на устройствата за измерване на времето дадоха атомните физици.

През 1949 г. е построен първият атомен часовник, където източникът на трептения не е махало или кварцов осцилатор, а сигнали, свързани с квантовия преход на електрон между две енергийни нива на атом.

На практика такива часовници се оказаха не много точни, освен това бяха обемисти и скъпи и не бяха широко използвани. Тогава беше решено да се обърнем към химическия елемент цезий. А през 1955 г. се появяват първите атомни часовници, базирани на атоми на цезий.

През 1967 г. беше решено да се премине към стандарта за атомно време, тъй като въртенето на Земята се забавя и величината на това забавяне не е постоянна. Това направи работата на астрономите и часовниците много по-трудна.

В момента Земята се върти със скорост от около 2 милисекунди на 100 години.

Колебанията в продължителността на деня също достигат хилядни от секундата. Следователно точността на средното време по Гринуич (общоприето като световен стандарт от 1884 г.) е станала недостатъчна. През 1967 г. се извършва преходът към стандарта за атомно време.

Днес една секунда е период от време, точно равен на 9 192 631 770 периода на излъчване, което съответства на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома Цезий 133.

В момента координираното универсално време се използва като времева скала. Формира се от Международното бюро за мерки и теглилки чрез комбиниране на данни от лаборатории за съхранение на времето на различни страни, както и данни от Международната служба за въртене на Земята. Неговата точност е почти милион пъти по-висока от астрономическото време по Гринуич.

Разработена е технология, която радикално ще намали размера и цената на свръхпрецизните атомни часовници, което ще направи възможно широкото им използване в мобилни устройства за най-различни цели. Учените успяха да създадат атомен стандарт за време с ултрамалък размер. Такива атомни часовници консумират по-малко от 0,075 W и имат грешка от не повече от една секунда за 300 години.

Американска изследователска група успя да създаде ултракомпактен атомен стандарт. Стана възможно захранването на атомни часовници от обикновени АА батерии. Свръхпрецизни атомни часовници, обикновено високи най-малко метър, бяха поставени в обем от 1,5x1,5x4 mm

В САЩ е разработен експериментален атомен часовник, базиран на един живачен йон. Те са пет пъти по-точни от цезия, който е приет за международен стандарт. Цезиевите часовници са толкова точни, че ще са необходими 70 милиона години, за да се постигне разлика от една секунда, докато за живачните часовници този период ще бъде 400 милиона години.

През 1982 г. нов астрономически обект - милисекунден пулсар - се намеси в спора между астрономическата дефиниция на стандарта за време и атомния часовник, който го спечели. Тези сигнали са стабилни като най-добрите атомни часовници

Знаеше ли?

Първите часовници в Русия

През 1412 г. в Москва в двора на великия княз зад църквата „Благовещение“ е поставен часовник, направен от Лазар, сръбски монах, който идва от сръбската земя. За съжаление не е запазено описание на тези първи часовници в Русия.

Как се появи звънещият часовник на Спаската кула на Московския Кремъл?

През 17 век англичанинът Кристофър Галоуей прави камбани за Спаската кула: часовият кръг е разделен на 17 сектора, единствената стрелка на часовника е неподвижна, насочена надолу и сочеща към някакво число на циферблата, но самият циферблат се върти.

Атомните часовници са най-точните инструменти за измерване на времето, които съществуват днес и стават все по-важни с развитието и усложняването на съвременните технологии.

Принцип на действие

Атомните часовници поддържат точно време не благодарение на радиоактивен разпад, както може да подсказва името им, а чрез вибрации на ядрата и електроните около тях. Честотата им се определя от масата на ядрото, гравитацията и електростатичния „балансьор” между положително зареденото ядро ​​и електроните. Това не отговаря съвсем на обикновен часовников механизъм. Атомните часовници са по-надеждни часовници, защото техните трептения не се променят в зависимост от фактори на околната среда като влажност, температура или налягане.

Еволюция на атомните часовници

През годините учените са разбрали, че атомите имат резонансни честоти, свързани със способността на всеки от тях да абсорбира и излъчва електромагнитно лъчение. През 30-те и 40-те години на миналия век е разработено високочестотно комуникационно и радарно оборудване, което може да взаимодейства с резонансните честоти на атомите и молекулите. Това допринесе за идеята за часовник.

Първите екземпляри са произведени през 1949 г. от Националния институт за стандарти и технологии (NIST). Като източник на вибрации се използва амоняк. Те обаче не бяха много по-точни от съществуващия стандарт за време и цезият беше използван в следващото поколение.

Нов стандарт

Промяната в прецизността на измерването на времето беше толкова голяма, че през 1967 г. Генералната конференция по мерки и теглилки определи SI секундата като 9 192 631 770 вибрации на цезиев атом при неговата резонансна честота. Това означаваше, че времето вече не е свързано с движението на Земята. Най-стабилният атомен часовник в света е създаден през 1968 г. и е използван като част от системата за отчитане на времето на NIST до 90-те години.

Автомобил за подобрение

Едно от най-новите постижения в тази област е лазерното охлаждане. Това подобри съотношението сигнал/шум и намали несигурността в тактовия сигнал. Поставянето на тази охладителна система и друго оборудване, използвано за подобряване на цезиевите часовници, ще изисква пространство с размерите на железопътен вагон, въпреки че търговските версии могат да се поберат в куфар. Една от тези лабораторни инсталации отчита времето в Боулдър, Колорадо, и е най-точният часовник на Земята. Те грешат само с 2 наносекунди на ден, или 1 секунда на 1,4 милиона години.

Сложна технология

Тази огромна прецизност е резултат от сложен производствен процес. Първо течният цезий се поставя в пещ и се нагрява, докато се превърне в газ. Металните атоми излизат с висока скорост през малък отвор в пещта. Електромагнитите ги карат да се разделят на отделни лъчи с различна енергия. Необходимият лъч преминава през U-образен отвор и атомите се облъчват с микровълнова енергия с честота 9 192 631 770 Hz. Благодарение на това те се възбуждат и преминават в различно енергийно състояние. След това магнитното поле филтрира други енергийни състояния на атомите.

Детекторът реагира на цезий и показва максимум при правилната стойност на честотата. Това е необходимо за конфигуриране на кварцовия осцилатор, който управлява часовниковия механизъм. Разделянето на неговата честота на 9.192.631.770 дава един импулс в секунда.

Не само цезий

Въпреки че най-често срещаните атомни часовници използват свойствата на цезия, има и други видове. Те се различават по използвания елемент и средствата за определяне на промените в енергийното ниво. Други материали са водород и рубидий. Водородните атомни часовници функционират подобно на цезиевите часовници, но изискват контейнер със стени, направени от специален материал, който не позволява на атомите да губят енергия твърде бързо. Часовниците с рубидий са най-простите и компактни. В тях стъклена клетка, пълна с газ рубидий, променя абсорбцията на светлината, когато е изложена на свръхвисока честота.

Кой се нуждае от точно време?

Днес времето може да се измерва с изключителна точност, но защо това е важно? Това е необходимо в системи като мобилни телефони, интернет, GPS, авиационни програми и цифрова телевизия. На пръв поглед това не е очевидно.

Пример за това как се използва точното време е синхронизирането на пакети. Хиляди телефонни обаждания преминават през средната комуникационна линия. Това е възможно само защото разговорът не се предава изцяло. Телекомуникационната компания го разделя на малки пакети и дори пропуска част от информацията. След това те преминават през линията заедно с пакети от други разговори и се възстановяват в другия край, без да се смесват. Системата за часовник на телефонната централа може да определи кои пакети принадлежат към даден разговор по точното време, когато информацията е изпратена.

GPS

Друга реализация на точното време е глобална система за позициониране. Състои се от 24 сателита, които предават своите координати и време. Всеки GPS приемник може да се свърже с тях и да сравни времената на излъчване. Разликата позволява на потребителя да определи тяхното местоположение. Ако тези часовници не бяха много точни, тогава GPS системата би била непрактична и ненадеждна.

Границата на съвършенството

С развитието на технологиите и атомните часовници неточностите на Вселената станаха забележими. Земята се движи неравномерно, причинявайки произволни вариации в продължителността на годините и дните. В миналото тези промени биха останали незабелязани, защото инструментите за измерване на времето бяха твърде неточни. Въпреки това, за голямо разочарование на изследователи и учени, времето на атомните часовници трябва да бъде коригирано, за да компенсира аномалиите в реалния свят. Те са невероятни инструменти, които помагат за напредъка на съвременните технологии, но тяхното съвършенство е ограничено от границите, поставени от самата природа.