Vi hører ofte den sætning, som atomure altid viser præcis tid. Men ud fra deres navn er det svært at forstå, hvorfor atomure er de mest nøjagtige, eller hvordan de fungerer.

Bare fordi navnet indeholder ordet "atomic" betyder det ikke, at uret udgør en livsfare, selvom tanker om atombombe eller Atom kraftværk. I I dette tilfælde vi taler bare om, hvordan uret fungerer. Hvis oscillerende bevægelser i et almindeligt mekanisk ur udføres af tandhjul, og deres bevægelser tælles, så tælles i et atomur oscillationerne af elektroner inde i atomer. For bedre at forstå princippet om drift, lad os huske fysikken i elementære partikler.

Alle stoffer i vores verden er lavet af atomer. Atomer består af protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner kombineres med hinanden og danner en kerne, som også kaldes en nukleon. Elektroner bevæger sig rundt i kernen, som kan være på forskellige energiniveauer. Det mest interessante er, at når en elektron absorberer eller frigiver energi, kan en elektron bevæge sig fra sin energiniveau til højere eller lavere. En elektron kan modtage energi fra elektromagnetisk stråling, hvor hver overgang absorberer eller udsender elektromagnetisk stråling af en bestemt frekvens.

Oftest er der ure, hvor atomer af grundstoffet Cæsium -133 bruges til forandring. Hvis i 1 sekund pendulet almindelig vagt forpligter 1 oscillerende bevægelse, derefter elektroner i atomure baseret på Cæsium-133, når de skifter fra et energiniveau til et andet, udsender de elektromagnetisk stråling med en frekvens på 9192631770 Hz. Det viser sig, at ét sekund er opdelt i præcis dette antal intervaller, hvis det regnes i atomure. Denne værdi blev officielt vedtaget af det internationale samfund i 1967. Forestil dig en enorm skive med ikke 60, men 9192631770 divisioner, som kun udgør 1 sekund. Det er ikke overraskende, at atomure er så nøjagtige og har en række fordele: atomer er ikke udsat for ældning, slides ikke, og oscillationsfrekvensen vil altid være den samme for én kemisk element, takket være hvilket det er muligt synkront at sammenligne f.eks. aflæsninger af atomure langt i rummet og på Jorden uden frygt for fejl.

Takket være atomure var menneskeheden i stand til i praksis at teste rigtigheden af ​​relativitetsteorien og sikre sig, at den er bedre end på Jorden. Atomure er installeret på mange satellitter og rumfartøj, de bruges til telekommunikationsbehov, til mobilkommunikation, og de bruges til at sammenligne den nøjagtige tid på hele planeten. Uden overdrivelse var det takket være opfindelsen af ​​atomure, at menneskeheden var i stand til at komme ind i højteknologiens æra.

Hvordan fungerer atomure?

Cæsium-133 opvarmes ved at fordampe cæsiumatomer, som ledes gennem et magnetfelt, hvor atomer med de ønskede energitilstande udvælges.

De udvalgte atomer passerer derefter gennem et magnetfelt med en frekvens tæt på 9192631770 Hz, som skabes af en kvartsoscillator. Under påvirkning af feltet ændrer cæsiumatomer igen energitilstande og falder på en detektor, som registrerer, hvornår største antal de indkommende atomer vil have den "korrekte" energitilstand. Maksimumsbeløb atomer med en ændret energitilstand indikerer, at frekvensen af ​​mikrobølgefeltet er valgt korrekt, og derefter føres dens værdi ind i Elektronisk apparat– en frekvensdeler, som ved at reducere frekvensen med et helt antal gange modtager tallet 1, som er standardsekundet.

Således bruges cæsiumatomer til at kontrollere rigtigheden af ​​frekvensen magnetfelt, skabt af en krystaloscillator, der hjælper med at holde den på en konstant værdi.

Dette er interessant: Selvom de nuværende atomure er uhørt nøjagtige og kan køre i millioner af år uden fejl, vil fysikerne ikke stoppe der. Ved at bruge atomer af forskellige kemiske grundstoffer arbejder de konstant på at forbedre nøjagtigheden af ​​atomure. Blandt de seneste opfindelser er atomuret strontium, som er tre gange mere nøjagtige end deres cæsiummodstykke. For at halte bagud blot et sekund, vil de have brug for 15 milliarder år - tid overstiger vores univers' alder...

Hvis du finder en fejl, skal du markere et stykke tekst og klikke Ctrl+Enter.

Arkivartikler

Hvilke "urmagere" fandt på og forbedrede dette ekstremt præcis mekanisme? Er der en erstatning for ham? Lad os prøve at finde ud af det.

I 2012 vil atomtidtagning fejre sit 45-års jubilæum. I 1967 blev kategorien tid i Internationalt system enheder begyndte at blive bestemt ikke af astronomiske skalaer, men af ​​cæsiumfrekvensstandarden. Det er, hvad almindelige mennesker kalder atomuret.

Hvad er funktionsprincippet for atomoscillatorer? Som kilde resonansfrekvens disse "enheder" bruger kvanteenerginiveauerne for atomer eller molekyler. Kvantemekanik forbinder med systemet atomkerne- elektroner" flere diskrete energiniveauer. Et elektromagnetisk felt af en bestemt frekvens kan fremkalde en overgang af dette system fra lavt niveau til en højere. Det modsatte fænomen er også muligt: ​​Et atom kan bevæge sig fra et højt energiniveau til et lavere ved at udsende energi. Begge fænomener kan kontrolleres, og disse energimellemniveauspring kan registreres, hvorved der skabes en lighed oscillerende kredsløb. Resonansfrekvensen af ​​dette kredsløb vil være lig med energiforskellen mellem de to overgangsniveauer divideret med Plancks konstant.

Den resulterende atomoscillator har utvivlsomme fordele i forhold til sine astronomiske og mekaniske forgængere. Resonansfrekvensen af ​​alle atomer i det stof, der er valgt til oscillatoren, vil i modsætning til penduler og piezokrystaller være den samme. Derudover slides atomer ikke eller ændrer deres egenskaber over tid. Perfekt mulighed for et stort set evigt og ekstremt præcist kronometer.

For første gang blev muligheden for at bruge interlevel-energiovergange i atomer som en frekvensstandard overvejet tilbage i 1879 af den britiske fysiker William Thomson, bedre kendt som Lord Kelvin. Han foreslog at bruge brint som en kilde til resonatoratomer. Men hans forskning var mere sandsynlig teoretisk karakter. Videnskaben på det tidspunkt var endnu ikke klar til at udvikle et atomkronometer.

Det tog næsten hundrede år for Lord Kelvins idé at blive realiseret. Det var lang tid, men opgaven var ikke let. At omdanne atomer til ideelle penduler viste sig at være vanskeligere i praksis end i teorien. Vanskeligheden lå i kampen med den såkaldte resonansbredde - en lille udsving i frekvensen af ​​absorption og udsendelse af energi, når atomer bevæger sig fra niveau til niveau. Forholdet mellem resonansfrekvensen og resonansbredden bestemmer kvaliteten af ​​atomoscillatoren. Selvfølgelig, hvad mere værdi resonansbredde, jo lavere kvalitet atompendul. Desværre er det ikke muligt at øge resonansfrekvensen for at forbedre kvaliteten. Den er konstant for atomerne i hvert enkelt stof. Men resonansbredden kan reduceres ved at øge observationstiden for atomer.

Teknisk kan dette opnås på følgende måde: lad en ekstern, for eksempel kvarts, oscillator periodisk generere elektromagnetisk stråling, hvilket får donorstoffets atomer til at springe gennem energiniveauer. I dette tilfælde er opgaven for den atomare kronograftuner at bringe frekvensen af ​​denne kvartsoscillator så tæt som muligt på resonansfrekvensen for atomernes interniveauovergang. Dette bliver muligt, hvis der er nok lang periode observere atomernes vibrationer og skabe feedback, der regulerer kvartsfrekvensen.

Sandt nok, ud over problemet med at reducere resonansbredden i en atomkronograf, er der en masse andre problemer. Dette er Doppler-effekten - et skift i resonansfrekvensen på grund af bevægelser af atomer og gensidige kollisioner af atomer, hvilket forårsager uplanlagte energiovergange og endda påvirkningen af ​​den gennemtrængende energi af mørkt stof.

Prøv første gang praktisk implementering atomuret blev udført i trediverne af forrige århundrede af videnskabsmænd ved Columbia University under ledelse af fremtiden nobelpristager Dr. Isidor Rabi. Rabi foreslog at bruge cæsiumisotopen 133 Cs som en kilde til pendulatomer. Desværre blev Rabis arbejde, som i høj grad interesserede NBS, afbrudt af Anden Verdenskrig.

Efter dens færdiggørelse overgik ledelsen i implementeringen af ​​atomkronografen til NBS-medarbejder Harold Lyons. Hans atomoscillator arbejdede på ammoniak og gav en fejl svarende til de bedste eksempler kvartsresonatorer. I 1949 blev ammoniak-atomuret demonstreret for den brede offentlighed. På trods af den ret middelmådige nøjagtighed implementerede de de grundlæggende principper for fremtidige generationer af atomkronografer.

Prototypen af ​​et cæsium atomur opnået af Louis Essen gav en nøjagtighed på 1 * 10 -9, mens den havde en resonansbredde på kun 340 Hertz

Lidt senere, professor Harvard Universitet Norman Ramsey forbedrede Isidor Rabis ideer, hvilket reducerede indvirkningen på nøjagtigheden af ​​målinger af Doppler-effekten. Han foreslog, i stedet for en lang højfrekvent puls, spændende atomer, at bruge to korte sendt til armene på bølgelederen i en vis afstand fra hinanden. Dette gjorde det muligt kraftigt at reducere resonansbredden og faktisk lavet mulig skabelse atomoscillatorer, en størrelsesorden overlegen i nøjagtighed i forhold til deres kvarts-forfædre.

I halvtredserne af det sidste århundrede, baseret på ordningen foreslået af Norman Ramsey, National fysisk laboratorium(Storbritannien) hendes medarbejder Louis Essen arbejdede på en atomoscillator baseret på cæsiumisotopen 133 Cs foreslået tidligere af Rabi. Cæsium blev ikke valgt tilfældigt.

Skema over hyperfine overgangsniveauer af atomer i cæsium-133 isotopen

Tilhører gruppen alkalimetaller cæsiumatomer er ekstremt let ophidsede til at hoppe mellem energiniveauer. For eksempel kan en lysstråle nemt slå ud atomare struktur cæsium elektronstrøm. Det er på grund af denne egenskab, at cæsium er meget udbredt i fotodetektorer.

Design af en klassisk cæsiumoscillator baseret på en Ramsey-bølgeleder

Første officielle cæsiumfrekvensstandard NBS-1

Efterkommer af NBS-1 - NIST-7-oscillatoren brugte laserpumpning af en stråle af cæsiumatomer

For at Essen-prototypen skulle blive en sand standard, krævede det mere end fire år. Når alt kommer til alt, var præcis justering af atomure kun mulig ved sammenligning med eksisterende efemeriske tidsenheder. I løbet af fire år blev atomoscillatoren kalibreret ved at observere Månens rotation rundt om Jorden ved hjælp af et præcisions-månekamera opfundet af US Naval Observatorys William Markowitz.

"Justeringen" af atomure til måneephemeris blev udført fra 1955 til 1958, hvorefter enheden blev officielt anerkendt af NBS som en frekvensstandard. Desuden fik den hidtil usete nøjagtighed af cæsium-atomure NBS til at ændre tidsenheden i SI-standarden. Siden 1958 er "varigheden af ​​9.192.631.770 strålingsperioder svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer" blevet officielt vedtaget som en anden standard stand atom af isotopen cæsium-133".

Louis Essens enhed fik navnet NBS-1 og blev betragtet som den første cæsiumfrekvensstandard.

I løbet af de næste tredive år blev seks modifikationer af NBS-1 udviklet, hvoraf den seneste, NIST-7, skabt i 1993 ved at erstatte magneter med laserfælder, giver en nøjagtighed på 5 * 10 -15 med en resonansbredde på kun tres -to Hertz.

Sammenligningstabel over karakteristika for cæsiumfrekvensstandarder, der anvendes af NBS

Cæsium frekvens standard	Driftstid	Tid tjente som en officiel NPFS-standard	Resonansbredde	Mikrobølgelederlængde	Fejlværdi
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965-1990'erne	Ingen	130 Hz	52,4 cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 cm	5*10 -15

NBS-enheder er stationære standere, hvilket gør det muligt at klassificere dem som standarder frem for praktisk brugte oscillatorer. Men af ​​rent praktiske formål arbejdede Hewlett-Packard til fordel for cæsiumfrekvensstandarden. I 1964 skabte den fremtidige computergigant en kompakt version af cæsiumfrekvensstandarden - HP 5060A-enheden.

Kalibreret ved hjælp af NBS-standarder passer HP 5060-frekvensstandarderne ind i et typisk radiorack og havde kommerciel succes. Det var takket være cæsiumfrekvensstandarden sat af Hewlett-Packard, at den hidtil usete nøjagtighed af atomure blev udbredt.

Hewlett-Packard 5060A.

Som et resultat blev sådanne ting som satellit-tv og kommunikation mulige, globale systemer navigation og tidssynkronisering af informationsnetværk. Der har været mange anvendelser for den industrialiserede atomare kronografteknologi. Samtidig stoppede Hewlett-Packard ikke der og forbedrer konstant kvaliteten af ​​cæsiumstandarder og deres vægt og dimensioner.

Hewlett-Packard familie af atomure

I 2005 blev Hewlett-Packards atomur division solgt til Simmetricom.

Sammen med cæsium, hvis reserver i naturen er meget begrænsede, og efterspørgslen efter det i en række af teknologiske områder ekstremt stort, rubidium, hvis egenskaber er meget tæt på cæsium, blev brugt som donorstof.

Det ser ud til, at eksisterende ordning atomure er blevet bragt til perfektion. I mellemtiden havde det en irriterende ulempe, hvis eliminering blev mulig i anden generation af cæsiumfrekvensstandarder, kaldet cæsiumfontæner.

Kilder af tid og optisk melasse

På trods af den højeste nøjagtighed af NIST-7-atomkronometeret, som bruger laserdetektion af cæsiumatomers tilstand, er dets design ikke fundamentalt forskelligt fra designs af de første versioner af cæsiumfrekvensstandarder.

En designmæssig ulempe ved alle disse skemaer er, at det er fundamentalt umuligt at kontrollere udbredelseshastigheden af ​​en stråle af cæsiumatomer, der bevæger sig i en bølgeleder. Og dette på trods af, at bevægelseshastigheden af ​​cæsiumatomer kl stuetemperatur- hundrede meter i sekundet. Meget hurtigt.

Det er derfor, at alle modifikationer af cæsiumstandarder er en søgen efter en balance mellem størrelsen af ​​bølgelederen, som har tid til at påvirke hurtige cæsiumatomer på to punkter, og nøjagtigheden af ​​at detektere resultaterne af denne påvirkning. Jo mindre bølgelederen er, jo sværere er det at lave seriel elektromagnetiske impulser, der påvirker de samme atomer.

Hvad hvis vi finder en måde at reducere hastigheden af ​​cæsiumatomer? Det var netop denne tanke, der optog Massachusetts-studerende teknologisk Institut Jerold Zacharius, der studerede tyngdekraftens indflydelse på atomers adfærd i slutningen af ​​fyrrerne af forrige århundrede. Senere, involveret i udviklingen af ​​en variant af cæsiumfrekvensstandarden Atomichron, foreslog Zacharius ideen om et cæsiumfontæne - en metode til at reducere hastigheden af ​​cæsiumatomer til en centimeter i sekundet og slippe af med den dobbeltarmede bølgeleder af traditionelle atomoscillatorer.

Zacharius' idé var enkel. Hvad hvis du affyrede cæsiumatomer lodret inde i en oscillator? Så vil de samme atomer passere gennem detektoren to gange: én gang, mens de rejser op, og igen ned, hvor de vil skynde sig under påvirkning af tyngdekraften. I dette tilfælde vil atomernes nedadgående bevægelse være betydeligt langsommere end deres start, fordi de under deres rejse i springvandet vil miste energi. Desværre var Zacharius i 50'erne af forrige århundrede ikke i stand til at realisere sine ideer. I hans forsøgsfaciliteter atomer, der bevæger sig opad, interagerer med dem, der falder nedad, hvilket forvirrede nøjagtigheden af ​​detektionen.

Ideen om Zacharius blev først vendt tilbage i firserne. Forskere ved Stanford University, ledet af Steven Chu, har fundet en måde at realisere Zacharius-fontænen ved hjælp af en metode, de kalder "optisk melasse."

I Chu cæsiumfontænen bliver en sky af cæsiumatomer affyret opad forkølet af et system af tre par modrettede lasere, der har en resonansfrekvens lige under cæsiumatomernes optiske resonans.

Skema af en cæsiumfontæne med optisk melasse.

De laserkølede cæsiumatomer begynder at bevæge sig langsomt, som gennem melasse. Deres hastighed falder til tre meter i sekundet. At reducere atomernes hastighed giver forskerne mulighed for mere præcist at detektere tilstande (du må indrømme, at det er meget lettere at se nummerpladerne på en bil, der bevæger sig med en hastighed på en kilometer i timen, end en bil, der bevæger sig med en hastighed på hundrede kilometer i timen).

En kugle af afkølede cæsiumatomer sendes opad omkring en meter og passerer en bølgeleder undervejs, hvorigennem atomerne udsættes for et elektromagnetisk felt med en resonansfrekvens. Og systemets detektor registrerer ændringen i atomernes tilstand for første gang. Efter at have nået "loftet", begynder de afkølede atomer at falde på grund af tyngdekraften og passere gennem bølgelederen en anden gang. På vej tilbage registrerer detektoren igen deres tilstand. Da atomerne bevæger sig ekstremt langsomt, er deres flugt i form af en ret tæt sky let at kontrollere, hvilket betyder, at der i springvandet ikke vil være atomer, der flyver op og ned på samme tid.

Chus cæsiumfontæneanlæg blev vedtaget af NBS som en frekvensstandard i 1998 og fik navnet NIST-F1. Dens fejl var 4 * 10 -16, hvilket betyder, at NIST-F1 var mere nøjagtig end sin forgænger NIST-7.

Faktisk nåede NIST-F1 grænsen for nøjagtighed ved måling af cæsiumatomers tilstand. Men videnskabsmænd stoppede ikke ved denne sejr. De besluttede at eliminere den fejl, som sort kropsstråling introducerer i driften af ​​atomure - resultatet af interaktionen af ​​cæsiumatomer med den termiske stråling af kroppen i den installation, hvor de bevæger sig. Den nye NIST-F2 atomkronograf placerede en cæsiumfontæne i et kryogent kammer, hvilket reducerede sort kropsstråling til næsten nul. NIST-F2 fejlen er en utrolig 3*10 -17.

Graf over fejlreduktion af standardindstillinger for cæsiumfrekvens

I øjeblikket giver atomure baseret på cæsiumfontæner menneskeheden den mest nøjagtige tidsstandard, i forhold til hvilken pulsen i vores teknogene civilisation slår. Takket være tekniske tricks blev de pulserende brintmasere, der afkøler cæsiumatomer i de stationære versioner af NIST-F1 og NIST-F2, erstattet af en konventionel laserstråle, der arbejder sammen med et magneto-optisk system. Dette gjorde det muligt at skabe kompakte og meget stabile strukturer. ydre påvirkninger varianter af NIST-Fx standarder, der kan fungere i rumfartøjer. Helt fantasifuldt kaldet "Aerospace Cold Atom Clock", er disse frekvensstandarder installeret i satellitterne i navigationssystemer såsom GPS, hvilket sikrer deres fantastiske synkronisering for at løse problemet med meget nøjagtig beregning af koordinaterne for de GPS-modtagere, der bruges i vores gadgets.

En kompakt version af cæsiumfontænen atomur, kaldet "Aerospace Cold Atom Clock", bruges i GPS-satellitter

Beregningen af ​​referencetiden udføres af et "ensemble" på ti NIST-F2'ere placeret i forskellige forskningscentre, samarbejder med NBS. Præcise værdi atom-sekund opnås kollektivt, og eliminerer derved forskellige fejl og indflydelsen fra den menneskelige faktor.

Det er dog muligt, at cæsiumfrekvensstandarden en dag vil blive opfattet af vores efterkommere som en meget rå mekanisme til at måle tid, ligesom vi nu ser nedladende på pendulets bevægelser i vore forfædres mekaniske bedstefarure.

Disse er enheder til måling af tid, hvis driftsprincip er baseret på atomfysik. På grund af egenskaberne af de kemiske elementer, der bruges i designet, er fejlen i disse ure minimal. For eksempel vil enheder baseret på thorium-229 halte med en tiendedel af et sekund på omkring 14 milliarder år.

Hvordan fungerer atomure?

Hvis referencefrekvensen til bestemmelse af sekundet i et kvartsur er antallet af vibrationer af en kvartskrystal, så antages det i et atomur at være frekvensen af ​​elektronovergange i atomerne af visse kemiske grundstoffer fra et energiniveau til et andet .

1 - Elektronisk komponent(chip)

2 - Nuklear kilde

3 - Fotodetektor

4 - Overvarme

5 - Resonanscelle

6 - Bølgeplade

7 - Bundvarmer

8 - Vertikal emitterende laser

Her er pointen: atomer har elektroner. De har energi. Når de absorberer eller frigiver energi, hopper elektroner fra et energiniveau til et andet og absorberer eller udsender elektromagnetiske bølger, hvis frekvens altid er den samme. Dette fænomen kan kontrolleres: når et atom udsættes for mikrobølgestråling, reagerer den med et vist antal vibrationer.

Denne egenskab bruges til at forbedre nøjagtigheden af ​​tidsmålinger. Således er det anerkendt, at en anden er varigheden af ​​9192631770 strålingscyklusser. Denne frekvens svarer til overgangen mellem to energiniveauer af cæsium-133-atomet. Ved at sammenligne oscillationsfrekvensen for en kvartsoscillator med overgangsfrekvensen for grundstoffets atomer, registreres de mindste afvigelser. Hvis der er afvigelser, justeres kvartsvibrationerne.

Cæsium er ikke det eneste materiale, der bruges i atomure. Enheder baseret på kemiske grundstoffer dukker op, som kan yde mere større nøjagtighed fremskridt: ytterbium, thorium-229, strontium.

Hvorfor er atomure nøjagtige?

Vibrationsfrekvensen af ​​det kemiske element er den samme, og dette minimerer muligheden for fejl. Derudover, i modsætning til en kvartskrystal, slides atomerne ikke eller mister deres Kemiske egenskaber med tiden.

Andre navne for atomure: kvante, molekylære.

For det første bruger menneskeheden ure som et middel til program-tidsstyring.

For det andet er tidsmålingen i dag mest nøjagtig visning af alle udførte målinger: nøjagtigheden af ​​tidsmåling er nu bestemt af en utrolig fejl i størrelsesordenen 1·10-11%, eller 1 s på 300 tusind år.

Og vi opnåede en sådan nøjagtighed moderne mennesker da de begyndte at bruge atomer, som som følge af deres svingninger er regulatoren af ​​atomuret. Cæsiumatomer er i to energitilstande, vi har brug for (+) og (-). Elektromagnetisk stråling med en frekvens på 9.192.631.770 hertz produceres, når atomer skifter fra (+) tilstand til (-) tilstand, hvilket skaber en præcis, konstant periodisk proces - regulatoren af ​​atomurets kode.

For at atomure kan fungere præcist, skal cæsium fordampes i en ovn, en proces, der frigiver sine atomer. Bag ovnen er der en sorteringsmagnet som har gennemløb atomer i (+) tilstanden, og i den, på grund af bestråling i et mikrobølgefelt, går atomerne over i (-) tilstanden. Den anden magnet leder de atomer, der har ændret tilstand (+) til (-) ind i den modtagende enhed. Mange atomer, der har ændret deres tilstand, opnås kun, hvis frekvensen af ​​mikrobølgeemitteren nøjagtigt falder sammen med cæsiumvibrationsfrekvensen på 9.192.631.770 hertz. Ellers falder antallet af atomer (-) i den modtagende enhed.

Enhederne overvåger og regulerer konstant den konstante frekvens på 9.192.631.770 hertz. Det betyder, at urdesignernes drøm er gået i opfyldelse, en absolut konstant periodisk proces er fundet: en frekvens på 9.192.631.770 hertz, som regulerer atomures forløb.

I dag, som et resultat af international aftale, er en anden defineret som strålingsperioden ganget med 9.192.631.770, svarende til overgangen mellem to hyperfine strukturelle niveauer grundtilstand for cæsiumatomet (cæsium-133 isotop).

For at måle præcis tid kan du også bruge vibrationer af andre atomer og molekyler, såsom atomer af calcium, rubidium, cæsium, strontium, brintmolekyler, jod, metan osv. Udstrålingen fra cæsiumatomet genkendes dog som frekvensen standard. For at sammenligne vibrationerne fra forskellige atomer med en standard (cæsium) blev der skabt en titanium-safirlaser, der genererer en bred vifte af frekvenser i området fra 400 til 1000 nm.

Den første skaber af kvarts og atomure var engelsk fysiker-eksperimenter Essen Lewis (1908-1997). I 1955 skabte han den første standard for atomfrekvens (tid) ved hjælp af en stråle af cæsiumatomer. Som et resultat af dette arbejde opstod 3 år senere (1958) en tidstjeneste baseret på atomfrekvensstandarden.

I USSR fremlagde akademiker Nikolai Gennadievich Basov sine ideer til at skabe et atomur.

Så, atomur, en af nøjagtige typer ur - en enhed til måling af tid, hvor der bruges et pendul naturlige vibrationer atomer eller molekyler. Stabiliteten af ​​atomure er den bedste blandt alle eksisterende typer timer, hvilket er et depositum højeste præcision. Atomurgeneratoren producerer mere end 32.768 impulser i sekundet, i modsætning til konventionelle ure. Atomiske vibrationer afhænger ikke af lufttemperatur, vibrationer, fugt og mange andre eksterne faktorer.

I moderne verden Når du simpelthen ikke kan undvære navigation, er atomure blevet uundværlige assistenter. De er i stand til at bestemme placeringen rumskib, satellit, ballistisk missil, fly, ubåd, bil automatisk via satellitkommunikation.

Således er atomure, eller rettere cæsiumure, i de sidste 50 år blevet betragtet som de mest nøjagtige. De har længe været brugt af tidstjenester, og tidssignaler udsendes også af nogle radiostationer.

Atomuret indeholder 3 dele:

kvantediskriminator,

kvarts oscillator,

elektronik kompleks.

Kvartsoscillatoren genererer en frekvens (5 eller 10 MHz). Oscillatoren er en RC-radiogenerator, som bruger piezoelektriske tilstande af en kvartskrystal som et resonanselement, hvor atomer, der har ændret tilstand (+) til (-) sammenlignes. For at øge stabiliteten sammenlignes dens frekvens konstant med svingningerne af en kvantediskriminator (atomer eller molekyler). Når der opstår en svingningsforskel, justerer elektronikken frekvensen af ​​kvartsoscillatoren til nul og øger derved urets stabilitet og nøjagtighed til det ønskede niveau.

I den moderne verden kan atomure fremstilles i ethvert land i verden til brug i Hverdagen. De er meget små i størrelsen og smukke. Størrelsen af ​​det seneste nye atomur er ikke mere end tændstikæske og deres lave strømforbrug - mindre end 1 Watt. Og det er ikke grænsen, måske i fremtiden tekniske fremskridt vil nå mobiltelefoner. I mellemtiden er kompakte atomure kun installeret på strategiske missiler for at øge navigationsnøjagtigheden mange gange.

I dag kan man købe atomure til mænd og kvinder for enhver smag og pengepung i netbutikker.

I 2011 blev verdens mindste atomur skabt af specialister fra Symmetricom og Sandia National Laboratories. Dette ur er 100 gange mere kompakt end tidligere kommercielt tilgængelige versioner. Størrelsen af ​​et atomkronometer er ikke større end en tændstikæske. For at fungere har den kun brug for 100 mW strøm - det er 100 gange mindre sammenlignet med sine forgængere.

Det var muligt at reducere størrelsen af ​​uret ved at installere en mekanisme i stedet for fjedre og gear, der fungerede efter princippet om at bestemme frekvensen elektromagnetiske bølger, udsendt af cæsiumatomer under påvirkning af en laserstråle med ubetydelig kraft.

Sådanne ure bruges i navigation såvel som i arbejdet med minearbejdere, dykkere, hvor det er nødvendigt at synkronisere tid nøjagtigt med kolleger på overfladen, såvel som præcise tidstjenester, fordi fejlen i atomure er mindre end 0,000001 fraktioner et sekund om dagen. Omkostningerne til det rekordlille atomur Symmetricom var omkring $1.500.

Meget nøjagtige atomure, der laver en fejl på et sekund hver 300 millioner år. Dette ur, som erstattede en ældre model, der havde en fejl på et sekund hvert hundrede millioner år, sætter nu standarden for amerikansk civil tid. Lenta.ru besluttede at huske historien om skabelsen af ​​atomure.

Første atom

For at skabe et ur er det nok at bruge enhver periodisk proces. Og historien om fremkomsten af ​​tidsmålingsinstrumenter er til dels historien om fremkomsten af ​​enten nye energikilder eller nye oscillerende systemer, brugt i ure. For det meste enkelt ur er sandsynligvis solenergi: til deres drift er det kun nødvendigt med Solen og et objekt, der kaster en skygge. Ulemperne ved denne metode til tidsbestemmelse er indlysende. Vand og timeglas er heller ikke bedre: de er kun egnede til at måle relativt korte tidsperioder.

Den ældste mekaniske ure blev fundet i 1901 nær øen Antikythera på et sunket skib i Det Ægæiske Hav. De indeholder omkring 30 bronzegear i en trækasse, der måler 33 gange 18 gange 10 centimeter og stammer fra omkring det hundrede år f.Kr.

I næsten to tusinde år var mekaniske ure de mest nøjagtige og pålidelige. Udseendet af Christian Huygens klassiske værk i 1657 Pendul ur” (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica”) med en beskrivelse af et tidsholdende apparat med et pendul som et oscillerende system, var sandsynligvis højdepunktet i historien for udviklingen af ​​mekaniske anordninger af denne type.

Imidlertid brugte astronomer og sømænd stadig stjernehimlen og kortene til at bestemme deres placering og nøjagtige tid. Det første elektriske ur blev opfundet i 1814 af Francis Ronalds. Imidlertid var den første sådan enhed unøjagtig på grund af følsomhed over for temperaturændringer.

Den videre historie af ure er forbundet med brugen af ​​forskellige oscillerende systemer i enheder. Introduceret i 1927 af Bell Labs medarbejdere quartz ur brugt de piezoelektriske egenskaber af en kvartskrystal: når den udsættes for elektrisk strøm krystallen begynder at krympe. Moderne kvarts kronometre kan være nøjagtige til inden for 0,3 sekunder pr. måned. Men fordi kvarts er modtagelig for ældning, bliver ure mindre præcise over tid.

Med udvikling atomfysik Forskere har foreslået at bruge stofpartikler som oscillerende systemer. Sådan opstod de første atomure. Ideen om muligheden for at bruge atomære vibrationer af brint til at måle tid blev foreslået tilbage i 1879 af den engelske fysiker Lord Kelvin, men først i midten af ​​det 20. århundrede blev dette muligt.

Gengivelse af et maleri af Hubert von Herkomer (1907)

I 1930'erne amerikansk fysiker og opdager af atomkraft magnetisk resonans Isidor Rabi begyndte at arbejde på et atomur med cæsium-133, men krigsudbruddet forhindrede ham i at gøre det. Efter krigen i 1949 Landsudvalget Amerikanske standarder, med deltagelse af Harold Lyonson, skabte det første molekylære ur ved hjælp af ammoniakmolekyler. Men de første sådanne tidsmålingsinstrumenter var ikke så nøjagtige som moderne atomure.

Den relativt lave nøjagtighed skyldtes det faktum, at på grund af interaktionen af ​​ammoniakmolekyler med hinanden og med væggene i beholderen, hvori dette stof var placeret, ændrede molekylernes energi sig, og deres spektrale linjer udvidet. Denne effekt minder meget om friktion i et mekanisk ur.

Senere, i 1955, introducerede Louis Essen fra UK National Physical Laboratory det første cæsium-133 atomur. Dette ur akkumulerede en fejl på et sekund over en million år. Enheden fik navnet NBS-1 og begyndte at blive betragtet som en cæsiumfrekvensstandard.

Det skematiske diagram af et atomur består af en kvartsoscillator styret af en diskriminator ved hjælp af et feedback-kredsløb. Oscillatoren udnytter kvartsens piezoelektriske egenskaber, mens diskriminatoren bruger atomernes energetiske vibrationer, så kvartsens vibrationer følges af signaler fra overgange fra forskellige energiniveauer i atomerne eller molekylerne. Mellem generatoren og diskriminatoren er der en kompensator, der er indstillet til frekvensen af ​​atomare vibrationer og sammenligner den med krystallens vibrationsfrekvens.

Atomerne, der bruges i uret, skal give stabile vibrationer. For hver frekvens af elektromagnetisk stråling er der atomer: calcium, strontium, rubidium, cæsium, brint. Eller endda molekyler af ammoniak og jod.

Tidsstandard

Med fremkomsten af ​​atomare tidsmåleinstrumenter blev det muligt at bruge dem som en universel standard til bestemmelse af den anden. Siden 1884 har Greenwich Time, betragtet som verdensstandarden, givet plads til standarden for atomure. I 1967 blev et sekund defineret som varigheden af ​​9192631770 strålingsperioder svarende til overgangen mellem to hyperfine niveauer af cæsium-133-atomets grundtilstand. Denne definition af den anden afhænger ikke af astronomiske parametre og kan gengives hvor som helst på planeten. Cæsium-133, der bruges i atomurstandarden, er den eneste stabil isotop cæsium med 100% overflod på Jorden.

Atomure bruges også i satellit system navigation; de er nødvendige for at bestemme den nøjagtige tid og satellitkoordinater. Hver GPS-satellit har således fire sæt af sådanne ure: to rubidium og to cæsium, som sikrer signaltransmissionsnøjagtighed på 50 nanosekunder. De russiske satellitter i GLONASS-systemet er også udstyret med cæsium og rubidium atomare tidsmåleinstrumenter, og satellitterne i det europæiske Galileo geopositioneringssystem er udstyret med brint og rubidium.

Nøjagtighed brint ur─ den højeste. Det er 0,45 nanosekunder på 12 timer. Tilsyneladende vil Galileos brug af så præcise ure gøre dette navigationssystem til førende allerede i 2015, hvor der vil være 18 af dets satellitter i kredsløb.

Kompakt atomur

Hewlett-Packard blev det første firma til at udvikle et kompakt atomur. I 1964 skabte hun HP 5060A cæsium-enheden, på størrelse med en stor kuffert. Virksomheden fortsatte med at udvikle denne retning, men i 2005 solgte den sin afdeling, der udviklede atomure, til Symmetricom.

I 2011 udviklede specialister fra Draper Laboratory og Sandia National Laboratories, og Symmetricom udgav det første miniature atomur, Quantum. På udgivelsestidspunktet kostede de omkring 15 tusind dollars, var indesluttet i en forseglet kasse, der målte 40 gange 35 gange 11 millimeter og vejede 35 gram. Urets strømforbrug var mindre end 120 milliwatt. De blev oprindeligt udviklet efter ordre fra Pentagon og var beregnet til at betjene navigationssystemer, der fungerede uafhængigt af GPS-systemer, for eksempel dybt under vand eller jorden.

Allerede i slutningen af ​​2013 amerikansk selskab Bathys Hawaii introducerede det første atomarmbåndsur. De bruger SA.45s-chippen fremstillet af Symmetricom som hovedkomponent. Inde i chippen er der en kapsel med cæsium-133. Urets design omfatter også fotoceller og en laveffektlaser. Sidstnævnte sikrer opvarmning af cæsiumgas, som et resultat af hvilket dets atomer begynder at bevæge sig fra et energiniveau til et andet. Målingen af ​​tid udføres præcist ved at registrere en sådan overgang. Omkostningerne ved en ny enhed er omkring 12 tusind dollars.

Tendenser i retning af miniaturisering, autonomi og præcision vil føre til, at der i den nærmeste fremtid vil dukke nye enheder med atomure op på alle områder menneskeliv, begyndende med rumforskning på kredsende satellitter og stationer til husholdningsapplikationer i rum- og håndledssystemer.