Kanuni ya uendeshaji wa saa ya atomiki. Saa ya atomiki

Hifadhi Makala

Ni "watengenezaji wa saa" gani waligundua na kukamilisha utaratibu huu sahihi kabisa? Je, kuna mbadala wake? Hebu jaribu kufikiri.

Mnamo 2012, utunzaji wa wakati wa atomiki utaadhimisha miaka arobaini na tano. Mnamo 1967, kitengo cha wakati katika Mfumo wa kimataifa vitengo vilianza kuamuliwa si kwa mizani ya astronomia, lakini kwa kiwango cha mzunguko wa cesium. Hivi ndivyo watu wa kawaida huita saa ya atomiki.

Kanuni ya uendeshaji wa oscillators ya atomiki ni nini? "Vifaa" hivi hutumia viwango vya nishati ya quantum ya atomi au molekuli kama chanzo cha marudio ya resonant. Mitambo ya quantum inaunganishwa na mfumo kiini cha atomiki- elektroni" viwango kadhaa vya nishati tofauti. Sehemu ya sumakuumeme frequency fulani inaweza kusababisha mpito wa mfumo huu kutoka kiwango cha chini hadi ya juu zaidi. Jambo la kinyume pia linawezekana: atomi inaweza kusonga kutoka juu kiwango cha nishati kwa chini na mionzi ya nishati. Matukio yote mawili yanaweza kudhibitiwa na kuruka huku kwa kiwango cha nishati kunaweza kurekodiwa, na hivyo kuunda mfanano. mzunguko wa oscillatory. Mzunguko wa resonant wa mzunguko huu utakuwa sawa na tofauti ya nishati kati ya viwango viwili vya mpito vilivyogawanywa na mara kwa mara ya Planck.

Oscillator ya atomiki inayotokana ina faida zisizo na shaka juu ya watangulizi wake wa angani na mitambo. Mzunguko wa resonant wa atomi zote za dutu iliyochaguliwa kwa oscillator itakuwa, tofauti na pendulum na piezocrystals, sawa. Kwa kuongezea, atomi hazichakai au kubadilisha mali zao kwa wakati. Chaguo kamili kwa kronomita ya milele na sahihi kabisa.

Kwa mara ya kwanza, uwezekano wa kutumia mpito wa nishati kati ya atomi kama kiwango cha masafa ulizingatiwa mnamo 1879 na mwanafizikia Mwingereza William Thomson, anayejulikana zaidi kama Lord Kelvin. Alipendekeza kutumia hidrojeni kama chanzo cha atomi za resonator. Walakini, utafiti wake ulikuwa na uwezekano zaidi asili ya kinadharia. Sayansi wakati huo haikuwa tayari kuunda chronometer ya atomiki.

Ilichukua karibu miaka mia moja kwa wazo la Lord Kelvin kutimia. Ilikuwa ni muda mrefu, lakini kazi haikuwa rahisi. Kubadilisha atomi kuwa pendulum bora iligeuka kuwa ngumu zaidi katika mazoezi kuliko katika nadharia. Ugumu ulikuwa katika vita na kinachojulikana kama upana wa resonant - mabadiliko madogo katika mzunguko wa kunyonya na utoaji wa nishati kama atomi zinasonga kutoka ngazi hadi ngazi. Uwiano wa mzunguko wa resonant kwa upana wa resonant huamua ubora wa oscillator ya atomiki. Kwa wazi, thamani kubwa ya upana wa resonant, ubora wa chini wa pendulum ya atomiki. Kwa bahati mbaya, haiwezekani kuongeza mzunguko wa resonant ili kuboresha ubora. Ni mara kwa mara kwa atomi za kila dutu maalum. Lakini upana wa resonant unaweza kupunguzwa kwa kuongeza muda wa uchunguzi wa atomi.

Kitaalam, hii inaweza kupatikana kama ifuatavyo: acha kidhibiti cha nje, kwa mfano quartz, oscillator mara kwa mara itoe mionzi ya sumakuumeme, na kusababisha atomi za dutu ya wafadhili kuruka viwango vya nishati. Katika kesi hii, kazi ya tuner ya chronograph ya atomiki ni kuleta mzunguko wa oscillator hii ya quartz karibu iwezekanavyo na mzunguko wa resonant wa mpito wa interlevel wa atomi. Hii inawezekana ikiwa kuna kutosha muda mrefu kuangalia mitetemo ya atomi na kuunda maoni, kudhibiti mzunguko wa quartz.

Kweli, pamoja na tatizo la kupunguza upana wa resonant katika chronograph ya atomiki, kuna matatizo mengine mengi. Hii ni athari ya Doppler - mabadiliko katika mzunguko wa resonant kutokana na harakati za atomi, na migongano ya pande zote ya atomi, na kusababisha mabadiliko ya nishati yasiyopangwa, na hata ushawishi wa nishati inayoenea ya jambo la giza.

Jaribio la kwanza la utekelezaji wa vitendo wa saa za atomiki lilifanywa katika miaka ya thelathini ya karne iliyopita na wanasayansi katika Chuo Kikuu cha Columbia chini ya uongozi wa siku zijazo. Mshindi wa Tuzo ya Nobel Dkt. Isidor Rabi. Rabi alipendekeza kutumia cesium isotopu 133 Cs kama chanzo cha atomi za pendulum. Kwa bahati mbaya, kazi ya Rabi, ambayo ilivutia sana NBS, ilikatizwa na Vita vya Kidunia vya pili.

Baada ya kukamilika, uongozi katika utekelezaji wa chronograph ya atomiki ulipitishwa kwa mfanyakazi wa NBS Harold Lyons. Oscillator yake ya atomiki ilifanya kazi kwenye amonia na ikatoa hitilafu inayolingana na mifano bora resonators za quartz. Mnamo 1949, saa ya atomiki ya amonia ilionyeshwa kwa umma kwa ujumla. Licha ya usahihi wa wastani, walitekeleza kanuni za msingi za vizazi vijavyo vya chronographs za atomiki.

Mfano wa saa ya atomiki ya cesium iliyopatikana na Louis Essen ilitoa usahihi wa 1 * 10 -9, huku ikiwa na upana wa resonance ya 340 Hertz tu.

Baadaye kidogo, profesa Chuo Kikuu cha Harvard Norman Ramsey aliboresha mawazo ya Isidor Rabi, kupunguza athari kwenye usahihi wa vipimo vya athari ya Doppler. Alipendekeza, badala ya atomi moja ya kusisimua ya mapigo ya muda mrefu ya masafa ya juu, kutumia mbili fupi zilizotumwa kwenye mikono ya mwongozo wa mawimbi kwa umbali fulani kutoka kwa kila mmoja. Hii ilifanya iwezekanavyo kupunguza kwa kasi upana wa resonant na kwa kweli ilifanya iwezekanavyo kuunda oscillators ya atomiki ambayo ni amri ya ukubwa wa juu kwa usahihi kwa mababu zao za quartz.

Katika miaka ya hamsini ya karne iliyopita, kwa kuzingatia mpango uliopendekezwa na Norman Ramsey, katika Maabara ya Kitaifa ya Kimwili (Uingereza), mfanyakazi wake Louis Essen alifanya kazi kwenye oscillator ya atomiki kulingana na isotopu ya cesium 133 Cs iliyopendekezwa hapo awali na Rabi. Cesium hakuchaguliwa kwa bahati.

Mpango wa viwango vya mpito vya hyperfine ya atomi ya isotopu ya cesium-133

Ni wa kundi madini ya alkali atomi za cesiamu husisimka kwa urahisi sana kuruka kati ya viwango vya nishati. Kwa mfano, miale ya mwanga inaweza kubisha kwa urahisi mtiririko wa elektroni kutoka kwa muundo wa atomiki ya cesium. Ni kutokana na mali hii kwamba cesium hutumiwa sana katika photodetectors.

Muundo wa oscillator ya kawaida ya cesium kulingana na mwongozo wa wimbi la Ramsey

Kiwango rasmi cha kwanza cha masafa ya cesium NBS-1

Kizazi cha NBS-1 - oscillator ya NIST-7 ilitumia kusukuma kwa laser ya boriti ya atomi za cesium

Ili mfano wa Essen uwe kiwango cha kweli, ilichukua zaidi ya miaka minne. Baada ya yote, marekebisho sahihi ya saa za atomiki yaliwezekana tu kwa kulinganisha na vitengo vya ephemeris vya wakati vilivyopo. Katika kipindi cha miaka minne, kinukuzi cha atomiki kilirekebishwa kwa kutazama mzunguko wa Mwezi kuzunguka Dunia kwa kutumia kamera ya mwezi iliyosahihi iliyovumbuliwa na William Markowitz wa Kitengo cha Naval Observatory cha Marekani.

"Marekebisho" ya saa za atomiki kwa ephemeris ya mwezi ulifanyika kutoka 1955 hadi 1958, baada ya hapo kifaa kilitambuliwa rasmi na NBS kama kiwango cha mzunguko. Zaidi ya hayo, usahihi usio na kifani wa saa za atomiki za cesium ulisababisha NBS kubadilisha kitengo cha muda katika kiwango cha SI. Tangu 1958, ya pili imekubaliwa rasmi kama "muda wa vipindi 9,192,631,770 vya mionzi inayolingana na mpito kati ya viwango viwili vya hyperfine ya hali ya kawaida ya atomi ya isotopu ya cesium-133."

Kifaa cha Louis Essen kiliitwa NBS-1 na kilizingatiwa kiwango cha kwanza cha masafa ya cesium.

Katika miaka thelathini iliyofuata, marekebisho sita ya NBS-1 yalitengenezwa, ya hivi karibuni zaidi, NIST-7, iliyoundwa mnamo 1993 kwa kuchukua nafasi ya sumaku na mitego ya laser, hutoa usahihi wa 5 * 10 -15 na upana wa resonant wa sitini tu. - Hertz mbili.

Jedwali la kulinganisha la sifa za viwango vya mzunguko wa cesium vinavyotumiwa na NBS

Kiwango cha mzunguko wa Cesium	Muda wa uendeshaji	Muda ulitumika kama kiwango rasmi cha NPFS	Upana wa resonance	Urefu wa mwongozo wa wimbi la microwave	Thamani ya hitilafu
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	sentimita 164	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	sentimita 366	5*10 -13
NBS-4	Miaka ya 1965-1990	Hapana	130 Hz	sentimita 52.4	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	sentimita 374	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	sentimita 374	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 cm	5*10 -15

Vifaa vya NBS ni vituo vya kusimama, ambavyo huviruhusu kuainishwa kama viwango badala ya visisitizo vinavyotumika kivitendo. Lakini kwa madhumuni ya vitendo, Hewlett-Packard alifanya kazi kwa manufaa ya kiwango cha masafa ya cesium. Mnamo 1964, kampuni kubwa ya kompyuta ya baadaye iliunda toleo la kompakt ya kiwango cha frequency ya cesium - kifaa cha HP 5060A.

Viwango vya masafa ya HP 5060 vikiwa vimesawazishwa kwa kutumia viwango vya NBS vilitoshea kwenye rack ya kawaida ya redio na vilikuwa na mafanikio ya kibiashara. Ilikuwa kutokana na kiwango cha masafa ya cesium kilichowekwa na Hewlett-Packard kwamba usahihi usio na kifani wa saa za atomiki ulienea sana.

Hewlett-Packard 5060A.

Matokeo yake, mambo kama vile televisheni ya satelaiti na mawasiliano yaliwezekana, mifumo ya kimataifa urambazaji na huduma za maingiliano ya wakati wa mitandao ya habari. Kumekuwa na matumizi mengi ya teknolojia ya kiviwanda ya kronografu ya atomiki. Wakati huo huo, Hewlett-Packard hakuishia hapo na anaendelea kuboresha ubora wa viwango vya cesium na uzito na vipimo vyao.

Familia ya Hewlett-Packard ya saa za atomiki

Mnamo 2005, kitengo cha saa ya atomiki cha Hewlett-Packard kiliuzwa kwa Simmetricom.

Pamoja na cesium, akiba ambayo kwa asili ni ndogo sana, na mahitaji yake katika anuwai ya nyanja za kiteknolojia kubwa mno, rubidium, ambayo mali yake iko karibu sana na cesium, ilitumika kama dutu ya wafadhili.

Inaweza kuonekana kuwa mpango uliopo wa saa ya atomiki umeletwa kwa ukamilifu. Wakati huo huo, ilikuwa na upungufu wa kukasirisha, uondoaji ambao uliwezekana katika kizazi cha pili cha viwango vya mzunguko wa cesium, inayoitwa chemchemi za cesium.

Chemchemi za wakati na molasi za macho

Licha ya usahihi wa juu zaidi wa kronomita ya atomiki ya NIST-7, ambayo hutumia utambuzi wa laser wa hali ya atomi za cesium, muundo wake kimsingi sio tofauti na miundo ya matoleo ya kwanza ya viwango vya mzunguko wa cesium.

Ubaya wa muundo wa skimu hizi zote ni kwamba kimsingi haiwezekani kudhibiti kasi ya uenezi wa boriti ya atomi za cesium inayosonga katika mwongozo wa mawimbi. Na hii licha ya ukweli kwamba kasi ya harakati ya atomi ya cesium kwenye joto la kawaida ni mita mia moja kwa pili. Haraka sana.

Ndiyo maana marekebisho yote ya viwango vya cesium ni utafutaji wa usawa kati ya ukubwa wa wimbi la wimbi, ambalo lina wakati wa kushawishi atomi za cesium haraka katika pointi mbili, na usahihi wa kuchunguza matokeo ya ushawishi huu. Kadiri mwongozo wa wimbi ulivyo mdogo, ndivyo inavyokuwa vigumu zaidi kutengeneza mipigo ya sumakuumeme inayofuatana inayoathiri atomi zile zile.

Je, tukipata njia ya kupunguza kasi ya atomi za cesium? Ni wazo hili haswa ambalo lilimshughulisha mwanafunzi wa Massachusetts Taasisi ya Teknolojia Jerold Zacharius, ambaye alisoma ushawishi wa mvuto juu ya tabia ya atomi mwishoni mwa miaka ya arobaini ya karne iliyopita. Baadaye, akihusika katika ukuzaji wa lahaja ya kiwango cha mzunguko wa cesium Atomichron, Zacharius alipendekeza wazo la chemchemi ya cesium - njia ya kupunguza kasi ya atomi za cesium hadi sentimita moja kwa sekunde na kuondoa mwongozo wa wimbi la silaha mbili. ya oscillators ya atomiki ya jadi.

Wazo la Zakario lilikuwa rahisi. Je, ikiwa ungefyatua atomi za cesium wima ndani ya oscillator? Kisha atomi sawa zitapita kwa detector mara mbili: mara moja wakati wa kusafiri juu, na tena chini, ambapo watakimbilia chini ya ushawishi wa mvuto. Katika kesi hii, harakati ya chini ya atomi itakuwa polepole sana kuliko kuondoka kwao, kwa sababu wakati wa safari yao kwenye chemchemi watapoteza nishati. Kwa bahati mbaya, katika miaka ya hamsini ya karne iliyopita, Zakario hakuweza kutambua mawazo yake. Kwake vifaa vya majaribio atomi zinazoenda juu ziliingiliana na zile zinazoanguka chini, jambo ambalo lilichanganya usahihi wa utambuzi.

Wazo la Zakario lilirudishwa tu katika miaka ya themanini. Wanasayansi katika Chuo Kikuu cha Stanford, wakiongozwa na Steven Chu, wamepata njia ya kutambua Chemchemi ya Zacharius kwa kutumia njia wanayoiita "molasi ya macho."

Katika chemchemi ya Chu cesium, wingu la atomi za cesium zinazorushwa juu hupozwa awali na mfumo wa jozi tatu za leza zinazoelekezwa kipingamizi ambazo zina masafa ya resonant chini kidogo ya mwangwi wa macho wa atomi za cesium.

Mpango wa chemchemi ya cesium yenye molasi ya macho.

Atomu za cesium zilizopozwa kwa laser huanza kusonga polepole, kana kwamba kupitia molasi. Kasi yao inashuka hadi mita tatu kwa sekunde. Kupunguza kasi ya atomi huwapa watafiti fursa ya kugundua majimbo kwa usahihi zaidi (lazima ukubali kuwa ni rahisi sana kuona nambari za leseni za gari zikienda kwa kasi ya kilomita moja kwa saa kuliko gari linalotembea kwa kasi ya mia moja. kilomita kwa saa).

Mpira wa atomi za cesium zilizopozwa huzinduliwa kwenda juu kama mita, na kupitisha mwongozo wa mawimbi njiani, ambapo atomi huwekwa wazi kwenye uwanja wa sumakuumeme wa masafa ya resonant. Na kigunduzi cha mfumo kinarekodi mabadiliko katika hali ya atomi kwa mara ya kwanza. Baada ya kufikia "dari", atomi zilizopozwa huanza kuanguka kwa sababu ya mvuto na hupitia mwongozo wa wimbi mara ya pili. Washa njia ya nyuma detector tena inarekodi hali yao. Kwa kuwa atomi husonga polepole sana, kukimbia kwao katika mfumo wa wingu mnene ni rahisi kudhibiti, ambayo inamaanisha kuwa kwenye chemchemi hakutakuwa na atomi zinazoruka juu na chini kwa wakati mmoja.

Kituo cha chemchemi cha Chu's cesium kilipitishwa na NBS kama kiwango cha masafa mwaka wa 1998 na kuitwa NIST-F1. Hitilafu yake ilikuwa 4 * 10 -16, ambayo ina maana kwamba NIST-F1 ilikuwa sahihi zaidi kuliko NIST-7 iliyotangulia.

Kwa hakika, NIST-F1 ilifikia kikomo cha usahihi katika kupima hali ya atomi za cesium. Lakini wanasayansi hawakuacha ushindi huu. Waliamua kuondoa hitilafu ambayo mionzi ya mwili mweusi inaleta katika uendeshaji wa saa za atomiki - matokeo ya mwingiliano wa atomi za cesium na mionzi ya joto ya mwili wa ufungaji ambao wanahamia. Kronografia mpya ya atomiki ya NIST-F2 iliweka chemchemi ya cesium kwenye chemba ya kilio, na kupunguza mionzi nyeusi ya mwili hadi karibu sifuri. Hitilafu ya NIST-F2 ni 3*10 -17 ya ajabu.

Grafu ya upunguzaji wa makosa ya chaguo za kiwango cha marudio ya cesium

Hivi sasa, saa za atomiki kulingana na chemchemi za cesium hutoa ubinadamu kwa kiwango sahihi zaidi cha wakati, kulingana na ambayo mapigo ya ustaarabu wetu wa kiteknolojia hupiga. Shukrani kwa hila za uhandisi, vidhibiti vya hidrojeni ambavyo vinapoza atomi za cesium katika matoleo ya kudumu ya NIST-F1 na NIST-F2 vilibadilishwa na boriti ya kawaida ya leza inayofanya kazi sanjari na mfumo wa magneto-macho. Hii ilifanya iwezekanavyo kuunda miundo thabiti na imara sana. mvuto wa nje anuwai za viwango vya NIST-Fx ambavyo vinaweza kufanya kazi ndani vyombo vya anga. Kwa njia ya kufikiria inaitwa "Aerospace Cold Atom Clock", viwango hivi vya masafa vimewekwa kwenye satelaiti za mifumo ya urambazaji kama GPS, ambayo inahakikisha maingiliano yao ya kushangaza kutatua shida ya urambazaji. hesabu sahihi kuratibu za vipokezi vya GPS vinavyotumika kwenye vifaa vyetu.

Toleo la kompakt la saa ya chemchemi ya cesium, inayoitwa "Saa ya Anga ya Baridi ya Atom", hutumiwa katika satelaiti za GPS.

Hesabu ya wakati wa kumbukumbu hufanywa na "mkusanyiko" wa NIST-F2 kumi zilizo katika sehemu tofauti. vituo vya utafiti, kwa kushirikiana na NBS. Thamani halisi ya pili ya atomiki hupatikana kwa pamoja, na hivyo kuondoa makosa mbalimbali na ushawishi wa sababu ya kibinadamu.

Walakini, inawezekana kwamba siku moja kiwango cha masafa ya cesium kitatambuliwa na vizazi vyetu kama njia mbaya sana ya kupima wakati, kama vile tunavyotazama kwa unyenyekevu mienendo ya pendulum katika saa za babu za mitambo za mababu zetu.

Hisia imeenea katika ulimwengu wa kisayansi - wakati unayeyuka kutoka kwa Ulimwengu wetu! Kufikia sasa hii ni nadharia tu ya wanajimu wa Uhispania. Lakini ukweli kwamba mtiririko wa wakati duniani na katika nafasi ni tofauti tayari umethibitishwa na wanasayansi. Wakati unapita polepole chini ya ushawishi wa mvuto, ukiongezeka kwa kasi unaposonga mbali na sayari. Kazi ya kusawazisha wakati wa kidunia na ulimwengu unafanywa na viwango vya masafa ya hidrojeni, ambavyo pia huitwa "saa za atomiki."

Kwanza wakati wa atomiki ilionekana pamoja na kuibuka kwa astronautics, saa za atomiki zilionekana katikati ya miaka ya 20. Sasa saa za atomiki zimekuwa jambo la kila siku, kila mmoja wetu anazitumia kila siku: kwa msaada wao tunafanya kazi mawasiliano ya kidijitali, GLONAS, urambazaji, usafiri.

Wamiliki simu za mkononi hawafikirii ni kazi gani ngumu inayofanywa angani kwa ulandanishi mkali wa wakati, na bado tunazungumza juu ya milioni tu ya sekunde.

Kiwango cha wakati halisi kinahifadhiwa katika mkoa wa Moscow, in Taasisi ya kisayansi vipimo vya kimwili-kiufundi na redio-kiufundi. Kuna saa 450 za aina hiyo duniani.

Urusi na USA zina ukiritimba kwenye saa za atomiki, lakini huko USA saa zinafanya kazi kwa msingi wa cesium - chuma cha mionzi, hatari sana kwa mazingira, na katika Urusi - kulingana na hidrojeni - nyenzo salama, za kudumu.

Saa hii haina piga au mikono: inaonekana kama pipa kubwa la metali adimu na za thamani, iliyojaa teknolojia ya hali ya juu - vyombo vya kupimia vya hali ya juu na vifaa vyenye viwango vya atomiki. Mchakato wa uumbaji wao ni mrefu sana, ngumu na hufanyika katika hali ya utasa kabisa.

Kwa miaka 4 sasa, saa zilizowekwa kwenye satelaiti ya Kirusi zimesomwa nishati ya giza. Kwa viwango vya kibinadamu, hupoteza usahihi kwa sekunde 1 kwa mamilioni ya miaka.

Hivi karibuni saa ya atomiki itawekwa kwenye Spektr-M - uchunguzi wa anga, ambayo itaona jinsi nyota na exoplanets zinaundwa, itaonekana zaidi ya makali shimo nyeusi katikati ya Galaxy yetu. Kulingana na wanasayansi, kwa sababu ya mvuto wa kutisha, wakati unapita polepole sana hivi kwamba unakaribia kuacha.

tvroscosmos

Mara nyingi tunasikia maneno ambayo saa za atomiki huonyesha kila wakati wakati halisi. Lakini kutokana na jina lao ni vigumu kuelewa kwa nini saa za atomiki ni sahihi zaidi au jinsi zinavyofanya kazi.

Kwa sababu tu jina lina neno "atomiki" haimaanishi kuwa saa ina hatari kwa maisha, hata kama mawazo ya bomu ya atomiki au kiwanda cha nguvu za nyuklia. KATIKA kwa kesi hii tunazungumza tu jinsi saa inavyofanya kazi. Ikiwa katika kawaida saa ya mitambo harakati za oscillatory zinafanywa na gia na harakati zao zinahesabiwa, basi katika saa ya atomiki oscillations ya elektroni ndani ya atomi huhesabiwa. Ili kuelewa vizuri kanuni ya operesheni, hebu tukumbuke fizikia ya chembe za msingi.

Dutu zote katika ulimwengu wetu zimeundwa na atomi. Atomi zinajumuisha protoni, neutroni na elektroni. Protoni na nyutroni huchanganyika na kila mmoja kuunda kiini, ambacho pia huitwa nucleon. Elektroni huzunguka kiini, ambacho kinaweza kuwa katika viwango tofauti vya nishati. Jambo la kuvutia zaidi ni kwamba wakati wa kunyonya au kutoa nishati, elektroni inaweza kusonga kutoka ngazi ya nishati hadi ya juu au ya chini. Elektroni inaweza kupata nishati kutoka kwa mionzi ya sumakuumeme, kunyonya au kutoa mionzi ya sumakuumeme ya masafa fulani kwa kila mpito.

Mara nyingi kuna saa ambazo atomi za kipengele Cesium -133 hutumiwa kwa mabadiliko. Ikiwa katika sekunde 1 pendulum saa ya kawaida anafanya 1 mwendo wa oscillatory, kisha elektroni katika saa za atomiki kulingana na Cesium-133, wakati wa mpito kutoka ngazi moja ya nishati hadi nyingine, hutoa mionzi ya umeme na mzunguko wa 9192631770 Hz. Inageuka kuwa sekunde moja imegawanywa katika idadi hii ya vipindi ikiwa imehesabiwa kwa saa za atomiki. Thamani hii ilipitishwa rasmi na Jumuiya ya Kimataifa mnamo 1967. Hebu fikiria piga kubwa na si 60, lakini 9192631770 mgawanyiko, ambayo hufanya sekunde 1 tu. Haishangazi kwamba saa za atomiki ni sahihi sana na zina faida kadhaa: atomi haziwezi kuzeeka, haziisha, na mzunguko wa oscillation daima utakuwa sawa kwa kipengele kimoja cha kemikali, shukrani ambayo inawezekana. linganisha kwa usawa, kwa mfano, usomaji wa saa za atomiki zilizo mbali angani na Duniani, bila hofu ya makosa.

Shukrani kwa saa za atomiki, ubinadamu uliweza kujaribu kwa vitendo usahihi wa nadharia ya uhusiano na kuhakikisha kuwa ni bora kuliko Duniani. Saa za atomiki zimewekwa kwenye satelaiti nyingi na vyombo vya angani; Bila kuzidisha, ilikuwa shukrani kwa uvumbuzi wa saa za atomiki ambazo ubinadamu uliweza kuingia enzi ya teknolojia ya juu.

Saa za atomiki hufanyaje kazi?

Cesium-133 huwashwa na atomi za cesium zinazovukiza, ambazo hupitishwa kupitia uwanja wa sumaku, ambapo atomi zilizo na hali zinazohitajika za nishati huchaguliwa.

Atomi zilizochaguliwa kisha hupitia uwanja wa sumaku na frequency karibu na 9192631770 Hz, ambayo huundwa na oscillator ya quartz. Chini ya ushawishi wa shamba, atomi za cesium hubadilisha tena hali ya nishati na kuanguka kwenye kigunduzi, ambacho hurekodi wakati idadi kubwa zaidi atomi zinazoingia zitakuwa na hali ya nishati "sahihi". Kiasi cha juu zaidi atomi zilizo na hali ya nishati iliyobadilishwa inaonyesha kuwa mzunguko wa uwanja wa microwave huchaguliwa kwa usahihi, na kisha thamani yake inalishwa kwenye kifaa cha elektroniki - kigawanyaji cha mzunguko, ambacho, kupunguza mzunguko kwa idadi kamili ya nyakati, hupokea nambari 1; ambayo ni kumbukumbu ya pili.

Kwa hivyo, atomi za cesium hutumiwa kuangalia usahihi wa mzunguko shamba la sumaku, iliyoundwa na oscillator ya kioo, kusaidia kudumisha kwa thamani ya mara kwa mara.

Hii inavutia: Ingawa saa za sasa za atomiki ni sahihi sana na zinaweza kukimbia kwa mamilioni ya miaka bila makosa, wanafizikia hawataishia hapo. Kutumia atomi tofauti vipengele vya kemikali, wanafanya kazi kila mara ili kuboresha usahihi wa saa za atomiki. Miongoni mwa uvumbuzi wa hivi karibuni ni saa ya atomiki strontium, ambayo ni sahihi mara tatu zaidi ya mwenzake wa cesium. Ili kubaki nyuma kwa sekunde moja tu, watahitaji miaka bilioni 15 - muda unaozidi umri wa Ulimwengu wetu...

Ukipata hitilafu, tafadhali onyesha kipande cha maandishi na ubofye Ctrl+Ingiza.

Saa za atomiki ndizo zana sahihi zaidi za kupimia wakati ambazo zipo leo na zinazidi kuongezeka thamani ya juu na maendeleo na utata teknolojia za kisasa.

Kanuni ya uendeshaji

Saa za atomiki hazihifadhi wakati kwa usahihi kuoza kwa mionzi, kama jina lao linavyoweza kupendekeza, lakini kwa kutumia mitetemo ya viini na elektroni zinazozizunguka. Mzunguko wao unatambuliwa na wingi wa kiini, mvuto na "balancer" ya umeme kati ya kiini cha chaji na elektroni. Hii hailingani kabisa na harakati za kawaida za saa. Saa za atomiki ni vihifadhi wakati vinavyotegemeka zaidi kwa sababu mizunguko yao haibadiliki kulingana na mambo kama hayo mazingira, kama vile unyevu, joto au shinikizo.

Maendeleo ya saa za atomiki

Kwa miaka mingi, wanasayansi wamegundua kwamba atomi zina masafa ya resonant kuhusiana na uwezo wa kila mmoja wa kunyonya na kutoa mionzi ya sumakuumeme. Katika miaka ya 1930 na 1940, mawasiliano ya masafa ya juu na vifaa vya rada vilitengenezwa ambavyo vinaweza kuunganishwa na masafa ya miale ya atomi na molekuli. Hii ilichangia wazo la saa.

Nakala za kwanza zilijengwa mnamo 1949 Taasisi ya Taifa viwango na teknolojia (NIST). Amonia ilitumika kama chanzo cha vibration. Walakini, hazikuwa sahihi zaidi kuliko kiwango cha wakati kilichopo, na cesium ilitumiwa katika kizazi kijacho.

Kiwango kipya

Mabadiliko katika usahihi wa kipimo cha wakati yalikuwa makubwa sana hivi kwamba mnamo 1967 Mkutano Mkuu wa Uzito na Vipimo ulifafanua sekunde ya SI kama mitetemo 9,192,631,770 ya atomi ya cesium katika mzunguko wake wa sauti. Hii ilimaanisha kuwa wakati hauhusiani tena na harakati za Dunia. Saa ya atomiki iliyo thabiti zaidi ulimwenguni iliundwa mwaka wa 1968 na ilitumika kama sehemu ya mfumo wa kuweka saa wa NIST hadi miaka ya 1990.

Uboreshaji wa gari

Moja ya mafanikio ya hivi karibuni katika eneo hili ni baridi ya laser. Hii iliboresha uwiano wa mawimbi kwa kelele na kupunguza kutokuwa na uhakika katika mawimbi ya saa. Kuweka mfumo huu wa kupoeza na vifaa vingine vinavyotumiwa kuboresha saa za cesium kutahitaji nafasi ya ukubwa wa gari la reli, ingawa matoleo ya kibiashara yanaweza kutoshea kwenye koti. Mojawapo ya usakinishaji huu wa maabara huhifadhi wakati huko Boulder, Colorado, na ndiyo iliyo nyingi zaidi saa sahihi ardhini. Wanakosea kwa nanoseconds 2 kwa siku, au sekunde 1 kwa miaka milioni 1.4.

Teknolojia tata

Usahihi huu mkubwa ni matokeo ya ngumu mchakato wa kiteknolojia. Kwanza, cesium ya kioevu imewekwa kwenye tanuru na moto hadi inageuka kuwa gesi. Atomi za chuma hutoka kwa kasi kubwa kupitia uwazi mdogo kwenye tanuru. Sumaku-umeme huwafanya kugawanyika katika mihimili tofauti yenye nguvu tofauti. Boriti inayohitajika inapita kwenye shimo la U, na atomi huwashwa na nishati ya microwave na mzunguko wa 9,192,631,770 Hz. Shukrani kwa hili, wanafurahi na kuhamia katika hali tofauti ya nishati. Uga wa sumaku kisha huchuja hali zingine za nishati za atomi.

Kigunduzi humenyuka kwa cesium na huonyesha kiwango cha juu zaidi thamani sahihi masafa. Hii ni muhimu ili kusanidi oscillator ya quartz ambayo inadhibiti utaratibu wa saa. Kugawanya mzunguko wake na 9.192.631.770 hutoa pigo moja kwa pili.

Sio tu cesium

Ingawa saa za atomiki za kawaida hutumia sifa za cesium, kuna aina nyingine. Zinatofautiana katika kipengele kinachotumiwa na njia za kuamua mabadiliko katika kiwango cha nishati. Nyenzo zingine ni hidrojeni na rubidium. Saa za atomiki za hidrojeni hufanya kazi sawa na saa za cesium, lakini zinahitaji chombo chenye kuta zilizotengenezwa kwa nyenzo maalum ambayo huzuia atomi kupoteza nishati haraka sana. Saa za Rubidium ni rahisi zaidi na kompakt zaidi. Ndani yao, kiini cha kioo kilichojaa gesi ya rubidium hubadilisha ngozi ya mwanga wakati unafunuliwa na mzunguko wa ultrahigh.

Nani anahitaji muda sahihi?

Leo, wakati unaweza kupimwa kwa usahihi sana, lakini kwa nini hii ni muhimu? Hii ni muhimu katika mifumo kama vile simu za rununu, Mtandao, GPS, programu za anga na televisheni ya kidijitali. Kwa mtazamo wa kwanza hii sio dhahiri.

Mfano wa jinsi muda sahihi unavyotumika ni katika ulandanishi wa pakiti. Kupitia mstari wa kati maelfu ya simu zinapigwa. Hii inawezekana tu kwa sababu mazungumzo hayasambazwi kabisa. Kampuni ya mawasiliano ya simu inaigawanya katika pakiti ndogo na hata kuruka baadhi ya taarifa. Kisha hupitia mstari pamoja na pakiti za mazungumzo mengine na kurejeshwa kwa mwisho mwingine bila kuchanganya. Mfumo wa saa wa ubadilishanaji wa simu unaweza kubainisha ni pakiti zipi ni za mazungumzo fulani kwa wakati hasa taarifa hiyo ilitumwa.

GPS

Utekelezaji mwingine wa wakati sahihi ni mfumo wa nafasi ya kimataifa. Inajumuisha satelaiti 24 ambazo husambaza kuratibu zao na wakati. Kipokeaji chochote cha GPS kinaweza kuunganisha kwao na kulinganisha nyakati za utangazaji. Tofauti inaruhusu mtumiaji kuamua eneo lao. Ikiwa saa hizi hazikuwa sahihi sana, basi mfumo wa GPS haungefaa na hauwezi kutegemewa.

Kikomo cha ukamilifu

Pamoja na maendeleo ya teknolojia na saa za atomiki, usahihi wa Ulimwengu ulionekana. Dunia inasonga bila usawa, na kusababisha mabadiliko ya nasibu katika urefu wa miaka na siku. Hapo awali, mabadiliko haya yasingetambuliwa kwa sababu zana za kupimia wakati hazikuwa sahihi sana. Hata hivyo, kwa kuwakatisha tamaa watafiti na wanasayansi, wakati wa saa za atomiki unapaswa kurekebishwa ili kufidia hitilafu. ulimwengu halisi. Ni zana za ajabu zinazosaidia kuendeleza teknolojia ya kisasa, lakini ubora wao ni mdogo na mipaka iliyowekwa na asili yenyewe.

Kwanza, wanadamu hutumia saa kama njia ya kudhibiti wakati wa programu.

Pili, leo kipimo cha muda ni aina sahihi zaidi ya kipimo cha wote: usahihi wa kipimo cha muda sasa imedhamiriwa na kosa la ajabu la utaratibu wa 1 · 10-11%, au 1 s katika miaka 300 elfu.

Na tulipata usahihi kama huo watu wa kisasa walipoanza kutumia atomi, ambayo, kama matokeo ya oscillations yao, ni mdhibiti wa saa ya atomiki. Atomi za Cesium zinapatikana katika zile mbili tunazohitaji, mataifa ya nishati(+) na (-). Mionzi ya sumakuumeme yenye mzunguko wa hertz 9,192,631,770 huundwa wakati atomi zinapohama kutoka (+) hadi (-) hali, na kuunda mchakato sahihi, wa mara kwa mara wa mara kwa mara - mdhibiti wa msimbo wa saa ya atomiki.

Ili saa za atomiki zifanye kazi kwa usahihi, cesium lazima ivukizwe kwenye tanuru, mchakato ambao hutoa atomi zake. Nyuma ya tanuru kuna sumaku ya kuchagua, ambayo ina uwezo wa atomi katika hali ya (+), na ndani yake, kutokana na mionzi katika uwanja wa microwave, atomi huenda kwenye (-) hali. Sumaku ya pili inaelekeza atomi ambazo zimebadilisha hali (+) hadi (-) kwenye kifaa cha kupokea. Atomi nyingi ambazo zimebadilisha hali yao hupatikana tu ikiwa frequency ya emitter ya microwave inalingana haswa na frequency ya vibration ya cesium ya 9,192,631,770 hertz. Vinginevyo, idadi ya atomi (-) kwenye kifaa cha kupokea hupungua.

Vifaa hufuatilia na kudhibiti mara kwa mara mzunguko wa mara kwa mara wa hertz 9,192,631,770. Hii inamaanisha kuwa ndoto ya wabunifu wa saa imetimia, mchakato wa mara kwa mara wa mara kwa mara umepatikana: mzunguko wa hertz 9,192,631,770, ambayo inadhibiti mwendo wa saa za atomiki.

Leo, kama matokeo makubaliano ya kimataifa, sekunde inafafanuliwa kama kipindi cha mionzi iliyozidishwa na 9,192,631,770, inayolingana na mpito kati ya faini mbili. viwango vya muundo hali ya ardhi ya atomi ya cesium (isotopu ya cesium-133).

Ili kupima muda sahihi, unaweza pia kutumia mitetemo ya atomi na molekuli nyingine, kama vile atomi za kalsiamu, rubidiamu, cesium, strontiamu, molekuli za hidrojeni, iodini, methane, n.k. Hata hivyo, mionzi ya atomi ya cesium inatambulika kama mzunguko. kiwango. Ili kulinganisha mitetemo ya atomi tofauti na kiwango (cesium), leza ya titanium-sapphire iliundwa ambayo hutoa masafa anuwai katika safu kutoka 400 hadi 1000 nm.

Muundaji wa kwanza wa saa za quartz na atomiki alikuwa mwanafizikia wa Kiingereza wa majaribio Essen Lewis (1908-1997). Mnamo 1955, aliunda kiwango cha kwanza cha mzunguko wa atomiki (wakati) kwa kutumia boriti ya atomi ya cesium. Kama matokeo ya kazi hii, miaka 3 baadaye (1958) huduma ya wakati kulingana na kiwango cha masafa ya atomiki iliibuka.

Katika USSR, Msomi Nikolai Gennadievich Basov aliweka maoni yake ya kuunda saa ya atomiki.

Kwa hiyo, saa ya atomiki, mmoja wa aina halisi Saa ni kifaa cha kupimia wakati, ambapo mitetemo ya asili ya atomi au molekuli hutumiwa kama pendulum. Uthabiti wa saa za atomiki ndio bora zaidi kati ya zote aina zilizopo masaa, ambayo ni amana usahihi wa hali ya juu. Jenereta ya saa ya atomiki hutoa zaidi ya mipigo 32,768 kwa sekunde, tofauti na saa za kawaida. Vibrations ya atomiki haitegemei joto la hewa, vibrations, unyevu na mambo mengine mengi ya nje.

KATIKA ulimwengu wa kisasa Wakati huwezi kufanya bila urambazaji, saa za atomiki zimekuwa wasaidizi wa lazima. Wana uwezo wa kuamua eneo chombo cha anga, satelaiti, kombora la balestiki, ndege, manowari, gari kiotomatiki kupitia mawasiliano ya setilaiti.

Kwa hiyo, kwa miaka 50 iliyopita, saa za atomiki, au tuseme saa za cesium, zimezingatiwa kuwa sahihi zaidi. Kwa muda mrefu zimetumiwa na huduma za wakati, na ishara za wakati pia zinatangazwa na baadhi ya vituo vya redio.

Kifaa cha saa ya atomiki kinajumuisha sehemu 3:

kibaguzi wa kiasi,

oscillator ya quartz,

tata ya umeme.

Oscillator ya quartz inazalisha mzunguko (5 au 10 MHz). Oscillator ni jenereta ya redio ya RC, ambayo hutumia njia za piezoelectric za kioo cha quartz kama kipengele cha resonant, ambapo atomi ambazo zimebadilisha hali (+) hadi (-) zinalinganishwa ili kuongeza utulivu, mzunguko wake unalinganishwa mara kwa mara na oscillations kibaguzi wa quantum (atomi au molekuli) . Wakati tofauti katika oscillations inaonekana, umeme hurekebisha mzunguko wa oscillator ya quartz. kiwango cha sifuri, na hivyo kuongeza uthabiti na usahihi wa saa kwa kiwango kinachohitajika.

Katika ulimwengu wa kisasa, saa za atomiki zinaweza kutengenezwa katika nchi yoyote ulimwenguni kwa matumizi Maisha ya kila siku. Wao ni ndogo sana kwa ukubwa na nzuri. Ukubwa wa saa mpya ya atomiki ya hivi karibuni sio zaidi ya sanduku la mechi na matumizi yao ya chini ya nguvu - chini ya 1 Watt. Na hii sio kikomo, labda katika siku zijazo maendeleo ya kiufundi itafikia simu za mkononi. Wakati huo huo, saa fupi za atomiki husakinishwa tu kwenye makombora ya kimkakati ili kuongeza usahihi wa urambazaji mara nyingi zaidi.

Leo, saa za atomiki za wanaume na wanawake kwa kila ladha na bajeti zinaweza kununuliwa katika maduka ya mtandaoni.

Mnamo 2011, saa ndogo zaidi ya atomiki ulimwenguni iliundwa na wataalamu kutoka Symmetricom na Sandia National Laboratories. Saa hii imeshikana mara 100 zaidi ya matoleo ya awali yanayopatikana kibiashara. Ukubwa wa kronomita ya atomiki si kubwa kuliko kisanduku cha mechi. Ili kufanya kazi, inahitaji tu 100 mW ya nguvu - hii ni mara 100 chini ikilinganishwa na watangulizi wake.

Iliwezekana kupunguza saizi ya saa kwa kusanikisha badala ya chemchemi na gia utaratibu unaofanya kazi kwa kanuni ya kuamua frequency. mawimbi ya sumakuumeme, iliyotolewa na atomi za cesium chini ya ushawishi wa boriti ya laser ya nguvu kidogo.

Saa kama hizo hutumiwa katika urambazaji, na vile vile katika kazi ya wachimbaji, wapiga mbizi, ambapo inahitajika kusawazisha kwa usahihi wakati na wenzako kwenye uso, na vile vile huduma sahihi za wakati, kwa sababu kosa la saa za atomiki ni chini ya sehemu 0.000001. ya pili kwa siku. Gharama ya rekodi ya saa ndogo ya atomiki Symmetricom ilikuwa karibu $1,500.