5 минути физика: Как работи атомният часовник?
Пред очите ви е хубав древен часовник с махало. Тик - секунда, так - секунда, махалото умерено и изтънчено минава от ляво на дясно и назад, а стрелките се движат постепенно и достолепно.
Сега заменете махалото с атоми, чиито електрони са в непрекъснато и доста по-бързо придвижване - към този момент не се чува тик-так, по тази причина пък часовникът е няколко милиона пъти по-точен.
Всеки актуален часовник се състои кардинално от две елементи: резонатор (махало или кварцов кристал, който вибрира) и брояч, който брои импулсите, идващи от резонатора, и демонстрира броя им. Колкото по-бързо работи резонаторът, толкоз по-точен е часовникът. Така е и при атомния часовник. Особеното при него е, че такта задават обособени свободни атоми. Използва се фактът, че енергийните равнища на електроните на атомите са константи. И
при “скок ” от едно равнище на друго електронът,
който обикаля към ядрото, изхвърля или всмуква разликата сред двете сили. Честотата на полученото електромагнитно излъчване е пропорционална на тази разлика.
Ако принудим електроните да извършат подобен авансово избран от нас скок, получаваме излъчване с избрана периодичност, която е извънредно точна мярка за време. Идеята да се употребяват трептенията на атома за премерване на времето дава още лорд Келвин през 1879 година През 1949 година американецът Айсидор Раби показва и първия атомен часовник, основан въз основата на молекули амоняк. По-късно обаче цезий-133 се оказва по-подходящ.
Така през 1955 година се появява първият цезиев часовник.
Ето по какъв начин работи: цезият се изпарява в пещ и в газообразно положение се води във вакуум, където се “оформя ” в атомен лъч. Атомите са в едно от двете си най-ниски енергийни положения. Те минават в резонатор с магнитно микровълново поле, в което с огромна възможност сменят енергийното си положение. Атомите, които създадат това, се записват. Броят им зависи от честотата на микровълните. Тя се настройва по този начин, че да се записват оптимален брой атоми, което е сложен и доста акуратен развой. Така е несъмнено, че
1 секунда е тъкмо 9 192 631 770 вибрации на атома
на цезия. Или съгласно Международната система единици (SI) от 1967 година насам секундата се дефинира като “времетраенето на 9 192 631 770 интервала на излъчването, съответстващо на прехода сред двете свръхфини равнища на главното положение на атома на цезий-133 при температура от нула келвина ”.
За съпоставяне - кварцовият кристал в ръчните часовници излъчва сигнали 32 768 пъти на секунда - 280 хиляди пъти по-малко от атомните. Това е и повода за съвършената акуратност на атомния часовник - при най-новите вероятното отклоняване е от 1 секунда на 30 милиона години! А наскоро в Съединени американски щати бе основан атомен часовник със стронций, който
“тиктака ” 430 трлн. пъти
за секунда и чието отклоняване е 1 секунда на 80 млн. години.
В света годишно се създават към 200 цезиеви часовника. Но защо са ни толкоз точни измерватели на времето? Физиката, навигацията, телекомуникациите, метрологията, галактическите проучвания, геодезията са най-печеливши от свръхточното време.
При актуалните физични опити - като в ускорителите на частици (в ЦЕРН например) - са нужни измервания в рисково къси периоди (от порядъка на наносекунди - милиардни от секундата). Атомните часовници са
в основата и на GPS.
Навигационната система в колата получава по един времеви сигнал от 3 спътника със скоростта на светлината (300 000 км/сек). И защото автомобилът нормално не е тъкмо по средата на трите спътника, времето, за което стигат сигналите, е друго. От тези дребни разлики се пресмята точната позиция. Така че и за превоза, и за стопанската система точният часовник е доста значим.
Чрез радиопредаватели, които излъчват сигнал, получен от народен или районен атомен часовник, се синхронизират настолните и ръчните часовници с радиосверяване. Така може да имате най-точното време. С атомни часовници са свързани и доста национални радиостанции, които излъчват сигнала в избрани кръгли часове.
Автор: Гергана Стоилова
