Isidor Rabi, giáo sư vật lý tại Đại học Columbia, đã đề xuất một dự án chưa từng thấy trước đây: một chiếc đồng hồ hoạt động theo nguyên lý chùm tia nguyên tử. cộng hưởng từ. Điều này xảy ra vào năm 1945, và đến năm 1949, Cục Tiêu chuẩn Quốc gia đã công bố nguyên mẫu hoạt động đầu tiên. Nó đọc sự rung động của phân tử amoniac. Caesium được sử dụng muộn hơn nhiều: mẫu NBS-1 chỉ xuất hiện vào năm 1952.
Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia ở Anh đã chế tạo ra chiếc đồng hồ chùm tia Caesium đầu tiên vào năm 1955. Hơn mười năm sau, trong Hội nghị chung về Cân nặng và Đo lường, một chiếc đồng hồ tiên tiến hơn đã được trình làng, cũng dựa trên các dao động của nguyên tử Caesium. Mẫu NBS-4 được sử dụng cho đến năm 1990.
Các loại đồng hồ
TRÊN ngay bây giờ Có ba loại đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên cùng một nguyên lý. Đồng hồ Caesium, chính xác nhất, tách nguyên tử Caesium từ trường. Đơn giản nhất đồng hồ nguyên tử, rubidium, dùng khí rubidium đựng trong bình thủy tinh. Và cuối cùng, đồng hồ nguyên tử hydro lấy các nguyên tử hydro làm điểm tham chiếu, được đóng trong một lớp vỏ bằng vật liệu đặc biệt - nó ngăn các nguyên tử mất năng lượng nhanh chóng.
Bây giờ là mấy giờ
Năm 1999 Viện quốc gia Tiêu chuẩn và Công nghệ Hoa Kỳ (NIST) đã đề xuất một phiên bản thậm chí còn tiên tiến hơn của đồng hồ nguyên tử. Mô hình NIST-F1 cho phép sai số chỉ một giây trong mỗi hai mươi triệu năm.
Chính xác nhất
Nhưng các nhà vật lý của NIST không dừng lại ở đó. Các nhà khoa học quyết định phát triển một chiếc đồng hồ bấm giờ mới, lần này dựa trên các nguyên tử strontium. Đồng hồ mới hoạt động ở mức 60% so với mẫu trước đó, có nghĩa là nó mất một giây không phải trong hai mươi triệu năm mà trong khoảng năm tỷ năm.
Đo thời gian
Thỏa thuận quốc tế đã xác định tần số chính xác duy nhất cho sự cộng hưởng của hạt Caesium. Đây là 9.192.631.770 hertz - chia tín hiệu đầu ra cho số này bằng chính xác một chu kỳ mỗi giây.
Đồng hồ nguyên tử
Nếu chúng ta đánh giá độ chính xác đồng hồ thạch anh xét về độ ổn định ngắn hạn của chúng thì phải nói rằng độ chính xác này cao hơn đáng kể so với đồng hồ quả lắc, tuy nhiên, đo lường dài hạn thể hiện sự ổn định chạy cao hơn. Trong đồng hồ thạch anh, chuyển động không đều là do sự thay đổi trong cấu trúc bên trong thạch anh và sự mất ổn định của hệ thống điện tử.
Nguyên nhân chính gây mất ổn định tần số là sự lão hóa của tinh thể thạch anh đồng bộ hóa tần số dao động. Đúng, các phép đo đã chỉ ra rằng sự lão hóa của tinh thể, kèm theo sự gia tăng tần số, xảy ra mà không có dao động lớn và thay đổi đột ngột. Cho dù. điều này, sự lão hóa làm gián đoạn làm việc đúngđồng hồ thạch anh và yêu cầu cần phải giám sát thường xuyên bằng một thiết bị khác có bộ dao động có đáp ứng tần số ổn định, không thay đổi.
Sự phát triển nhanh chóng của quang phổ vi sóng sau Thế chiến thứ hai đã mở ra những khả năng mới trong lĩnh vực này đo lường chính xác thời gian qua các tần số tương ứng với các vạch phổ thích hợp. Những tần số này, có thể được coi là tiêu chuẩn tần số, dẫn đến ý tưởng sử dụng máy phát lượng tử như một tiêu chuẩn về thời gian.
Quyết định này là một bước ngoặt lịch sử trong lịch sử chấm công, vì nó có nghĩa là sự thay thế những giá trị hợp lệ trước đó. đơn vị thiên văn thời gian bằng một đơn vị thời gian lượng tử mới. Đơn vị thời gian mới này được giới thiệu là chu kỳ bức xạ của các chuyển tiếp được xác định chính xác giữa mức năng lượng phân tử của một số chất được chọn lọc đặc biệt. Sau khi nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này lần đầu tiên những năm sau chiến tranhđã thành công trong việc chế tạo một thiết bị hoạt động theo nguyên lý hấp thụ có kiểm soát năng lượng vi sóng trong amoniac lỏng ở tốc độ rất cao. áp suất thấp. Tuy nhiên, các thí nghiệm đầu tiên với một thiết bị được trang bị bộ phận hấp thụ đã không mang lại kết quả như mong đợi, vì sự giãn nở của đường hấp thụ do va chạm lẫn nhau của các phân tử khiến việc xác định tần số của bộ phận hấp thụ trở nên khó khăn. chuyển đổi lượng tử. Chỉ bằng phương pháp chùm hẹp các phân tử amoniac bay tự do trong Liên Xô A.M. Prokhorov và N.G. Basov và Townes ở Hoa Kỳ từ Đại học Columbia đã tìm cách giảm đáng kể khả năng va chạm lẫn nhau của các phân tử và thực tế loại bỏ sự giãn nở vạch quang phổ. Trong những trường hợp này, các phân tử amoniac đã có thể đóng vai trò là máy tạo nguyên tử. búi tóc hẹp các phân tử được giải phóng qua vòi phun vào không gian chân không sẽ đi qua một trường tĩnh điện không đồng nhất trong đó các phân tử được tách ra. Các phân tử ở trạng thái lượng tử cao hơn được dẫn đến một bộ cộng hưởng được điều chỉnh, nơi chúng giải phóng năng lượng điện từ ở tần số không đổi 23.870.128.825 Hz. Tần số này sau đó được so sánh với tần số của bộ dao động thạch anh có trong mạch đồng hồ nguyên tử. Máy phát lượng tử đầu tiên, maser amoniac (Khuếch đại vi sóng bằng phát xạ kích thích), được chế tạo dựa trên nguyên tắc này.
NG Basov, A.M. Prokhorov và Townes nhận được vào năm 1964 cho những tác phẩm này giải Nobel trong vật lý.
Các nhà khoa học từ Thụy Sĩ, Nhật Bản, Đức, Anh, Pháp và những nước khác cũng nghiên cứu tính ổn định của tần số của máy tạo amoniac. phương sách cuối cùng, Tiệp Khắc. Trong giai đoạn 1968-1979. Tại Viện Kỹ thuật Vô tuyến và Điện tử của Viện Hàn lâm Khoa học Tiệp Khắc, một số máy magie amoniac đã được chế tạo và đưa vào vận hành thử nghiệm, dùng làm tiêu chuẩn tần số để lưu trữ thời gian chính xác trong đồng hồ nguyên tử do Tiệp Khắc sản xuất. Họ đã đạt được độ ổn định tần số ở mức 10-10, tương ứng với sự thay đổi hàng ngày là 20 phần triệu giây.
Hiện nay, tần số nguyên tử và chuẩn thời gian được sử dụng chủ yếu cho hai mục đích chính - để đo thời gian và hiệu chuẩn và giám sát các chuẩn tần số cơ bản. Trong cả hai trường hợp, tần số của máy tạo đồng hồ thạch anh được so sánh với tần số của chuẩn nguyên tử.
Khi đo thời gian, tần số của chuẩn nguyên tử và tần số của bộ tạo đồng hồ tinh thể được so sánh thường xuyên và dựa trên độ lệch đã xác định, phép nội suy tuyến tính và hiệu chỉnh thời gian trung bình được xác định. Thời gian thực sau đó được lấy từ tổng số chỉ số của đồng hồ thạch anh và hiệu chỉnh thời gian trung bình này. Trong trường hợp này, sai số do phép nội suy được xác định bởi tính chất lão hóa của mặt kính đồng hồ thạch anh.
Những kết quả đặc biệt đạt được với chuẩn thời gian nguyên tử, với sai số chỉ 1 s trên một nghìn năm, là lý do tại sao một định nghĩa mới về đơn vị thời gian được đưa ra tại Hội nghị chung lần thứ 13 về Trọng lượng và Đo lường, tổ chức tại Paris vào tháng 10 năm 1967. - một giây nguyên tử, ngày nay được định nghĩa là 9.192.631.770 dao động của bức xạ của nguyên tử Caesium-133.
Như chúng tôi đã chỉ ra ở trên, khi tinh thể thạch anh già đi, tần số dao động của bộ dao động thạch anh tăng dần và sự chênh lệch giữa tần số của bộ dao động thạch anh và bộ dao động nguyên tử liên tục tăng. Nếu đường cong lão hóa tinh thể là chính xác thì chỉ cần điều chỉnh các dao động thạch anh theo định kỳ là đủ, ít nhất là trong khoảng thời gian vài ngày. Bằng cách này, bộ dao động nguyên tử không cần phải được ghép vĩnh viễn với hệ thống đồng hồ thạch anh, điều này rất thuận lợi vì sự xâm nhập của các ảnh hưởng gây nhiễu vào hệ thống đo lường bị hạn chế.
Một đồng hồ nguyên tử của Thụy Sĩ với hai bộ dao động phân tử amoniac, được trình diễn tại Triển lãm Thế giới ở Brussels năm 1958, đã đạt được độ chính xác một trăm phần nghìn giây mỗi ngày, chính xác hơn khoảng một nghìn lần so với đồng hồ quả lắc chính xác. Độ chính xác này giúp nghiên cứu sự mất ổn định định kỳ của tốc độ quay trục trái đất. Đồ thị trong hình. 39, giống như một hình ảnh lịch sử phát triển các dụng cụ đo thời gian và sự cải tiến của các phương pháp đo thời gian cho thấy độ chính xác của phép đo thời gian đã tăng lên một cách gần như thần kỳ qua nhiều thế kỷ. Chỉ trong 300 năm qua, độ chính xác này đã tăng hơn 100.000 lần.
Cơm. 39.Độ chính xác của các dụng cụ đo thời gian trong giai đoạn từ 1930 đến 1950.
Nhà hóa học Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) là người đầu tiên phát hiện ra Caesium, nguyên tử của nó, trong những điều kiện được lựa chọn thích hợp, có khả năng hấp thụ bức xạ điện từ với tần số khoảng 9192 MHz. Đặc tính này đã được Sherwood và McCracken sử dụng để tạo ra bộ cộng hưởng chùm xêsi đầu tiên. TRÊN sử dụng thực tế bộ cộng hưởng caesium để đo tần số và thời gian, đã hướng nỗ lực của ông ngay sau L. Essen, làm việc tại National phòng thí nghiệm vật lýở Anh. Phối hợp với nhóm thiên văn học Hoa Kỳ Đài quan sát Nevel, ông đã có mặt vào năm 1955-1958. đã xác định tần số của quá trình chuyển đổi lượng tử của Caesium ở mức 9.192.631.770 Hz và liên kết nó với định nghĩa hiện tại về giây thiên văn, mà sau này, như đã nêu ở trên, đã dẫn đến việc thiết lập một định nghĩa mới về đơn vị thời gian. Các bộ cộng hưởng Caesium sau đây được chế tạo tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada ở Ottawa, phòng thí nghiệm Swiss des Researches Horlogeres ở Neuchâtel, và các loại đồng hồ nguyên tử thương mại đầu tiên. sản xuất công nghiệpđược tung ra thị trường vào năm 1956 dưới tên Atomichron bởi công ty National Walden Company của Mỹ ở Massachusetts.
Sự phức tạp của đồng hồ nguyên tử cho thấy rằng việc sử dụng các bộ dao động nguyên tử chỉ có thể thực hiện được trong khu vực đo lường trong phòng thí nghiệm thời gian thực hiện bằng các thiết bị đo lớn. Trên thực tế, điều này đã xảy ra cho đến gần đây. Tuy nhiên, quá trình thu nhỏ cũng đã thâm nhập vào lĩnh vực này. Công ty nổi tiếng Nhật Bản Seiko-Hattori, chuyên sản xuất đồng hồ bấm giờ phức tạp với bộ dao động tinh thể, đã cung cấp chiếc đồng hồ đeo tay nguyên tử đầu tiên, một lần nữa được sản xuất với sự hợp tác của công ty Mỹ McDonnell Douglas Astronautics Company. Công ty này cũng sản xuất thu nhỏ pin nhiên liệu, chính là nguồn năng lượng cho những chiếc đồng hồ được đề cập. Năng lượng điện trong phần tử có kích thước 13 này? 6,4 mm tạo ra đồng vị phóng xạ promethium-147; Tuổi thọ của phần tử này là năm năm. Vỏ đồng hồ được làm bằng tantalum và thép không gỉ có đủ khả năng bảo vệ chống lại tia beta của nguyên tố này phát ra môi trường.
Các phép đo thiên văn, nghiên cứu chuyển động của các hành tinh trong không gian và các nghiên cứu thiên văn vô tuyến khác nhau giờ đây không thể thực hiện được nếu không có kiến thức về thời gian chính xác. Độ chính xác yêu cầu từ đồng hồ thạch anh hoặc đồng hồ nguyên tử trong những trường hợp như vậy thay đổi trong vòng một phần triệu giây. Với độ chính xác ngày càng tăng của thông tin thời gian được cung cấp, các vấn đề về đồng bộ hóa đồng hồ cũng tăng lên. Phương pháp từng hoàn toàn thỏa đáng về tín hiệu thời gian truyền vô tuyến trên sóng ngắn và dài hóa ra không đủ chính xác để đồng bộ hóa hai thiết bị chấm công đặt gần nhau với độ chính xác lớn hơn 0,001 s, và giờ đây ngay cả mức độ chính xác này cũng không còn nữa. thỏa đáng hơn.
Một trong giải pháp khả thi- vận tải giờ phụ trợ thay cho các phép đo so sánh - sự thu nhỏ đã cho yếu tố điện tử. Vào đầu những năm 60, đồng hồ nguyên tử và thạch anh đặc biệt đã được chế tạo để có thể vận chuyển trên máy bay. Chúng có thể được vận chuyển giữa các phòng thí nghiệm thiên văn, đồng thời chúng cung cấp thông tin về thời gian với độ chính xác một phần triệu giây. Ví dụ, vào năm 1967, những chiếc đồng hồ xêzi thu nhỏ do công ty Hewlett-Packard của California sản xuất được vận chuyển xuyên lục địa, thiết bị này đã đi qua 53 phòng thí nghiệm trên khắp thế giới (cũng ở Tiệp Khắc) và với sự trợ giúp của nó, đồng hồ địa phương đã được đồng bộ hóa với độ chính xác cao. 0,1 µs (0,0000001 giây).
Các vệ tinh truyền thông cũng có thể được sử dụng để so sánh thời gian micro giây. Năm 1962, phương pháp này được Anh và Mỹ sử dụng bằng cách truyền tín hiệu thời gian qua vệ tinh Telestar. Tuy nhiên, kết quả thuận lợi hơn nhiều với chi phí thấp hơn đã đạt được bằng cách truyền tín hiệu bằng công nghệ truyền hình.
Phương pháp truyền thời gian và tần số chính xác bằng xung đồng hồ tivi này được phát triển và phát triển ở Tiệp Khắc. cơ quan khoa học. Vật mang thông tin thời gian phụ trợ ở đây là các xung video đồng bộ hóa, không hề gây trở ngại cho việc truyền tải chương trình truyền hình. Trong trường hợp này, không cần đưa thêm bất kỳ xung nào vào tín hiệu hình ảnh truyền hình.
Điều kiện để sử dụng phương pháp này là có thể thu được cùng một chương trình truyền hình tại các vị trí của đồng hồ được so sánh. Các đồng hồ được so sánh được điều chỉnh trước với độ chính xác vài mili giây và sau đó phép đo phải được thực hiện đồng thời ở tất cả các trạm đo. Ngoài ra, cần biết độ lệch thời gian cần thiết để truyền xung đồng hồ từ một nguồn chung là bộ đồng bộ truyền hình đến các máy thu tại vị trí của các đồng hồ được so sánh.
Từ cuốn sách Con người đã khám phá ra vùng đất của họ như thế nào tác giả Tomilin Anatoly NikolaevichTàu phá băng hạt nhân thế hệ thứ hai Sau soái hạm của hạm đội tàu phá băng - tàu phá băng hạt nhân "Lenin", thêm ba tàu phá băng hạt nhân, những anh hùng nguyên tử, được chế tạo ở Leningrad. Chúng được gọi là tàu phá băng thế hệ thứ hai. Điều này có nghĩa là gì? Có lẽ, trước hết, khi tạo mới
Từ cuốn sách Thanh kiếm gãy của đế chế tác giả Kalashnikov MaximCHƯƠNG 14 BAY GIÁN ĐOẠN CỦA ĐẠI BÀNG. TÀU TUẦN TUYỆT VỜI NGA - NẶNG, HẠT NHÂN, TÊN NGOÀI... 1 Chúng tôi không tạo ra cuốn sách này như một lời than thở cho sự vĩ đại đã mất. Mặc dù chúng ta có thể viết hàng chục trang mô tả hiện trạng (viết năm 1996) của nơi từng là hạm đội lớn
Từ Quyển Hai chiến tranh thế giới bởi Beevor AnthonyChương 50 Bom nguyên tử và sự thất bại của Nhật Bản từ tháng 5 đến tháng 9 năm 1945 Đến thời điểm Đức đầu hàng vào tháng 5 năm 1945 quân đội Nhật Bảnở Trung Quốc nhận được lệnh từ Tokyo bắt đầu rút lui về bờ biển phía đông. Quân Quốc dân đảng của Tưởng Giới Thạch bị đánh đập nặng nề trong thời kỳ Nhật Bản
tác giảĐồng hồ mặt trời Không còn nghi ngờ gì nữa, thiết bị đo thời gian phổ biến nhất là đồng hồ mặt trời, dựa trên chuyển động biểu kiến hàng ngày và đôi khi hàng năm của Mặt trời. Những chiếc đồng hồ như vậy xuất hiện không sớm hơn khi con người nhận ra mối quan hệ giữa chiều dài và vị trí của bóng từ những chiếc đồng hồ đó.
Từ cuốn sách Lịch sử khoa học khác. Từ Aristotle đến Newton tác giả Kalyuzhny Dmitry VitalievichĐồng hồ nước Đồng hồ mặt trời là một chỉ báo thời gian đơn giản và đáng tin cậy, nhưng có một số nhược điểm nghiêm trọng: hoạt động của chúng phụ thuộc vào thời tiết và bị giới hạn trong khoảng thời gian từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn. Không còn nghi ngờ gì nữa, vì điều này mà các nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm những giải pháp khác
Từ cuốn sách Lịch sử khoa học khác. Từ Aristotle đến Newton tác giả Kalyuzhny Dmitry VitalievichĐồng hồ chữa cháy Ngoài đồng hồ mặt trời và đồng hồ nước, còn có đầu thế kỷ XIII nhiều thế kỷ, đồng hồ lửa hoặc đồng hồ nến đầu tiên xuất hiện. Đây là những ngọn nến mỏng dài khoảng một mét với tỷ lệ được in dọc theo toàn bộ chiều dài. Chúng hiển thị thời gian tương đối chính xác và vào ban đêm chúng còn chiếu sáng các ngôi nhà của nhà thờ và
Từ cuốn sách Lịch sử khoa học khác. Từ Aristotle đến Newton tác giả Kalyuzhny Dmitry VitalievichĐồng hồ cát Ngày của chiếc đồng hồ cát đầu tiên cũng chưa được biết. Nhưng chúng, giống như những ngọn đèn dầu, xuất hiện không sớm hơn kính trong suốt. Người ta tin rằng ở Tây ÂuÔ đồng hồ cát chỉ được phát hiện vào cuối thời Trung cổ; một trong những đề cập lâu đời nhất của
Từ cuốn sách Cuộc săn lùng bom nguyên tử: Hồ sơ KGB số 13.676 tác giả Chikov Vladimir Matveevich3. Họ được sinh ra như thế nào gián điệp nguyên tử
Từ cuốn sách Sakura và cây sồi (tuyển tập) tác giả Ovchinnikov Vsevolod VladimirovichMột chiếc đồng hồ không có kim “Những người thừa kế của một xã hội đã đầu tư quá nhiều vào một đế chế; những người bị bao quanh bởi những tàn tích đổ nát của một di sản đang tan chảy, họ không thể tự mình, trong thời điểm khủng hoảng, từ bỏ ký ức về quá khứ và thay đổi lối sống lỗi thời của mình. Tạm biệt khuôn mặt
Từ cuốn sách Thế chiến thứ hai: sai lầm, sai lầm, mất mát bởi Dayton Len20. GIỜ TỐI TỐI Hãy hát một bài hát về những phi công trẻ, Nếu không có chiến tranh, họ sẽ ngồi ở bàn học. Bài hát của Phi đội 55 RAF, viết vào khoảng năm 1918. Các máy bay chiến đấu của Anh đã giành chiến thắng trong Trận chiến nước Anh, nhưng máy bay chiến đấu bị thiệt hại
Từ cuốn sách Cuộc sống hàng ngày của tầng lớp quý tộc trong thời đại hoàng kim của Catherine tác giả Eliseev Olga IgorevnaVào buổi sáng, Hoàng hậu tự mình đốt lò sưởi, thắp nến và đèn rồi ngồi xuống. bàn làm việc trong phòng làm việc phản chiếu - những giờ đầu tiên trong ngày cô được dành cho các bài tập văn học cá nhân. Cô ấy từng nói với Gribovsky rằng “bạn không thể đi tiểu một ngày được”.
Từ cuốn sách Chiến thắng vĩ đại TRÊN Viễn Đông. Tháng 8 năm 1945: từ Ngoại Baikal đến Triều Tiên [sửa] tác giả Alexandrov Anatoly AndreevichChương VII Các cuộc tấn công nguyên tử của Mỹ ngày 1 tháng 4 hóa ra lại đặc biệt đáng chú ý đối với cả hai người đối thoại. Bộ trưởng Chiến tranh Stimson đã chuẩn bị cho báo cáo này từ đầu tháng, nhưng cái chết đột ngột của Tổng thống Roosevelt đã làm gián đoạn lịch trình liên lạc của các quan chức cấp cao.
Từ cuốn sách Nga Mỹ tác giả Burlak Vadim NiklasovichTrong những giờ nghỉ ngơi, Baranov nổi tiếng vì lòng hiếu khách và thích tổ chức tiệc tùng. Người Nga, người bản xứ và các thủy thủ nước ngoài đều nhớ lại điều này. Ngay cả trong thời kỳ đói kém ở thuộc địa, anh ta vẫn tìm được cơ hội để chiêu đãi những vị khách được mời và bình thường nếu hết.
Từ cuốn sách Ai Cập của Ramesses bởi Monte PierreIV. Đồng hồ Người Ai Cập chia năm thành 12 tháng và tương tự như vậy chia ngày thành 12 giờ và đêm thành 12 giờ. Không chắc họ đã chia giờ thành những khoảng thời gian nhỏ hơn. Từ "tại", được dịch là "thời điểm", không có ý nghĩa cụ thể
Từ cuốn sách Những điệp viên vĩ đại nhất thế giới của Wighton CharlesCHƯƠNG 12 GIÁN ĐIỆP "nguyên tử" Vào rạng sáng ngày 16 tháng 7 năm 1945, khi Churchill, Truman và Stalin tập trung tại Berlin để tham dự Hội nghị Potsdam, hội nghị đầu tiên bom nguyên tử. Trên những ngọn đồi, cách nơi xảy ra vụ nổ 20 dặm, có
Từ cuốn sách Những nhà thám hiểm Nga - Vinh quang và niềm tự hào của nước Nga tác giả Glazyrin Maxim YuryevichLò phản ứng hạt nhân và tinh thể điện tử Konstantin Chilovsky (sn. 1881), kỹ sư, nhà phát minh người Nga. Phát minh ra thiết bị phát hiện tàu ngầm, được sử dụng rộng rãi trong Thế chiến thứ nhất (1914–1918). Ông đã được trao tặng Huân chương Pháp cho phát minh của mình.
Trong thế kỷ 21, định vị vệ tinh đang phát triển với tốc độ nhanh chóng. Bạn có thể xác định vị trí của bất kỳ vật thể nào được kết nối bằng cách nào đó với vệ tinh, có thể là điện thoại di động, ô tô hoặc tàu vũ trụ. Nhưng không điều nào có thể đạt được nếu không có đồng hồ nguyên tử.
Những chiếc đồng hồ này cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực viễn thông khác nhau, chẳng hạn như thông tin di động. Đây là nhiều nhất đồng hồ chính xác những gì đã từng, đang và sẽ có. Không có chúng, Internet sẽ không được đồng bộ hóa, chúng ta sẽ không biết khoảng cách đến các hành tinh và ngôi sao khác, v.v.
Tính bằng giờ trên giây, 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ điện từ được thực hiện, phát sinh trong quá trình chuyển đổi giữa hai mức năng lượng của nguyên tử Caesium-133. Những đồng hồ như vậy được gọi là đồng hồ caesium. Nhưng đây chỉ là một trong ba loại đồng hồ nguyên tử. Ngoài ra còn có đồng hồ hydro và rubidium. Tuy nhiên, đồng hồ caesium được sử dụng thường xuyên nhất nên chúng tôi sẽ không đề cập đến các loại khác.
Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử Caesium
Tia laser làm nóng các nguyên tử của đồng vị Caesium và tại thời điểm này, bộ cộng hưởng tích hợp sẽ ghi lại tất cả các chuyển đổi của các nguyên tử. Và, như đã đề cập trước đó, sau khi đạt 9.192.631.770 lần chuyển đổi, một giây được tính.
Một tia laser được tích hợp trong vỏ đồng hồ sẽ làm nóng các nguyên tử của đồng vị Caesium. Lúc này, bộ cộng hưởng ghi lại số lần chuyển đổi của nguyên tử sang mức năng lượng mới. Khi đạt đến một tần số nhất định, cụ thể là 9.192.631.770 chuyển tiếp (Hz), một giây được tính dựa trên hệ thống quốc tế SI.
Sử dụng trong định vị vệ tinh
quá trình định nghĩa vị trí chính xác Việc xác định vật thể này hay vật thể khác bằng vệ tinh là rất khó. Một số vệ tinh có liên quan đến việc này, cụ thể là hơn 4 vệ tinh trên mỗi máy thu (ví dụ: thiết bị định vị GPS trên ô tô).
Mỗi vệ tinh chứa đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, máy phát vô tuyến vệ tinh và bộ tạo mã kỹ thuật số. Máy phát vô tuyến gửi mã kỹ thuật số và thông tin về vệ tinh tới Trái đất, cụ thể là các thông số quỹ đạo, mô hình, v.v.
Đồng hồ xác định mất bao lâu để mã này đến được người nhận. Như vậy, biết tốc độ lan truyền của sóng vô tuyến sẽ tính được khoảng cách đến máy thu trên Trái đất. Nhưng một vệ tinh là không đủ cho việc này. Máy thu GPS hiện đại có thể nhận tín hiệu từ 12 vệ tinh cùng lúc, điều này cho phép bạn xác định vị trí của vật thể với độ chính xác lên tới 4 mét. Nhân tiện, điều cần lưu ý là thiết bị định vị GPS không yêu cầu phí đăng ký.
Thứ nhất, nhân loại sử dụng đồng hồ như một phương tiện để điều khiển thời gian của chương trình.
Thứ hai, ngày nay việc đo thời gian là phổ biến nhất cái nhìn chính xác trong tất cả các phép đo được thực hiện: độ chính xác của phép đo thời gian hiện được xác định bởi sai số đáng kinh ngạc vào cỡ 1·10-11%, hay 1 giây trong 300 nghìn năm.
Và chúng tôi đã đạt được độ chính xác như vậy người hiện đại khi họ bắt đầu sử dụng nguyên tử, do sự dao động của chúng, chúng là bộ điều chỉnh đồng hồ nguyên tử. Nguyên tử Caesium ở hai trạng thái năng lượng chúng ta cần (+) và (-). Bức xạ điện từ với tần số 9.192.631.770 hertz được hình thành khi các nguyên tử chuyển từ trạng thái (+) sang (-), tạo ra một quá trình tuần hoàn chính xác, không đổi - bộ điều chỉnh mã đồng hồ nguyên tử.
Để đồng hồ nguyên tử hoạt động chính xác, Caesium phải được làm bay hơi trong lò, một quá trình giải phóng các nguyên tử của nó. Phía sau lò có một nam châm phân loại có thông lượng các nguyên tử ở trạng thái (+) và trong đó, do chiếu xạ trong trường vi sóng, các nguyên tử chuyển sang trạng thái (-). Nam châm thứ hai hướng các nguyên tử đã chuyển trạng thái (+) thành (-) vào thiết bị thu. Nhiều nguyên tử đã thay đổi trạng thái chỉ thu được nếu tần số của bộ phát vi sóng trùng khớp chính xác với tần số dao động của caesium là 9.192.631.770 hertz. Ngược lại, số lượng nguyên tử (-) trong thiết bị thu sẽ giảm đi.
Các thiết bị liên tục theo dõi và điều chỉnh tần số không đổi 9.192.631.770 hertz. Điều này có nghĩa là giấc mơ của các nhà thiết kế đồng hồ đã trở thành hiện thực, một quá trình tuần hoàn hoàn toàn không đổi đã được tìm ra: tần số 9.192.631.770 hertz, tần số điều chỉnh hoạt động của đồng hồ nguyên tử.
Ngày nay, theo thỏa thuận quốc tế, một giây được định nghĩa là chu kỳ bức xạ nhân với 9.192.631.770, tương ứng với sự chuyển tiếp giữa hai siêu tinh tế. cấp độ cấu trúc trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium (đồng vị Caesium-133).
Để đo thời gian chính xác, bạn cũng có thể sử dụng dao động của các nguyên tử và phân tử khác, chẳng hạn như nguyên tử canxi, rubidium, Caesium, strontium, phân tử hydro, iốt, metan, v.v. Tuy nhiên, bức xạ của nguyên tử Caesium được coi là tần số tiêu chuẩn. Để so sánh độ rung của các nguyên tử khác nhau với một tiêu chuẩn (Caesium), một tia laser titan-sapphire đã được tạo ra để tạo ra một dải tần số rộng trong khoảng từ 400 đến 1000 nm.
Người đầu tiên chế tạo ra đồng hồ thạch anh và đồng hồ nguyên tử là nhà vật lý thực nghiệm người Anh. Essen Lewis (1908-1997). Năm 1955, ông tạo ra chuẩn tần số nguyên tử (thời gian) đầu tiên sử dụng chùm nguyên tử Caesium. Kết quả của công việc này là 3 năm sau (1958) một dịch vụ thời gian dựa trên tiêu chuẩn tần số nguyên tử đã ra đời.
Ở Liên Xô, Viện sĩ Nikolai Gennadievich Basov đã đưa ra ý tưởng của mình về việc tạo ra đồng hồ nguyên tử.
Vì thế, đồng hồ nguyên tử, một trong các loại chính xácđồng hồ - một thiết bị đo thời gian, trong đó sử dụng con lắc rung động tự nhiên nguyên tử hoặc phân tử. Độ ổn định của đồng hồ nguyên tử là tốt nhất trong số tất cả các loại hiện có giờ, đó là tiền đặt cọc độ chính xác cao nhất. Bộ tạo đồng hồ nguyên tử tạo ra hơn 32.768 xung mỗi giây, không giống như đồng hồ thông thường. Dao động nguyên tử không phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, độ rung, độ ẩm và nhiều yếu tố bên ngoài khác.
TRONG thế giới hiện đại Khi bạn không thể làm gì nếu không có điều hướng, đồng hồ nguyên tử đã trở thành trợ lý không thể thiếu. Họ có thể xác định vị trí tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa đạn đạo, máy bay, tàu ngầm, ô tô tự động thông qua liên lạc vệ tinh.
Vì vậy, trong 50 năm qua, đồng hồ nguyên tử, hay đúng hơn là đồng hồ Caesium, được coi là chính xác nhất. Chúng đã được sử dụng từ lâu bởi các dịch vụ thời gian và tín hiệu thời gian cũng được một số đài phát thanh phát sóng.
Thiết bị đồng hồ nguyên tử gồm 3 phần: 
máy phân biệt lượng tử,
dao động thạch anh,
tổ hợp điện tử.
Bộ dao động thạch anh tạo ra tần số (5 hoặc 10 MHz). Bộ tạo dao động là một máy phát vô tuyến RC, sử dụng các chế độ áp điện của tinh thể thạch anh làm phần tử cộng hưởng, trong đó các nguyên tử đã thay đổi trạng thái (+) thành (-) được so sánh để tăng độ ổn định, tần số của nó được so sánh liên tục với các dao động của. một chất phân biệt lượng tử (nguyên tử hoặc phân tử). Khi xảy ra sự chênh lệch dao động, bộ phận điện tử sẽ điều chỉnh tần số của bộ dao động thạch anh về 0, từ đó tăng độ ổn định và độ chính xác của đồng hồ lên mức mong muốn.
Trong thế giới hiện đại, đồng hồ nguyên tử có thể được sản xuất ở bất kỳ nước nào trên thế giới để sử dụng trong cuộc sống hàng ngày. Chúng có kích thước rất nhỏ và đẹp. Kích thước của đồng hồ nguyên tử mới nhất không lớn hơn hộp diêm và mức tiêu thụ điện năng thấp - dưới 1 Watt. Và đây không phải là giới hạn, có lẽ trong tương lai tiến bộ kỹ thuật sẽ đạt được điện thoại di động. Trong khi đó, đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn chỉ được lắp trên tên lửa chiến lược để tăng độ chính xác dẫn đường lên gấp nhiều lần.
Ngày nay, đồng hồ nguyên tử dành cho nam và nữ, phù hợp với mọi sở thích và túi tiền, bạn có thể mua tại các cửa hàng trực tuyến.
Năm 2011, đồng hồ nguyên tử nhỏ nhất thế giới đã được tạo ra bởi các chuyên gia từ Phòng thí nghiệm quốc gia Symmetricom và Sandia. Đồng hồ này nhỏ gọn hơn 100 lần so với các phiên bản thương mại trước đây. Kích thước của đồng hồ bấm giờ nguyên tử không lớn hơn hộp diêm. Để hoạt động, nó chỉ cần 100 mW điện - ít hơn 100 lần so với các phiên bản tiền nhiệm.
Có thể giảm kích thước của đồng hồ bằng cách lắp đặt một cơ cấu hoạt động theo nguyên lý xác định tần số thay cho lò xo và bánh răng. sóng điện từ, được phát ra bởi các nguyên tử Caesium dưới tác dụng của chùm tia laser có công suất không đáng kể.
Những đồng hồ như vậy được sử dụng trong điều hướng, cũng như trong công việc của thợ mỏ, thợ lặn, những nơi cần đồng bộ hóa chính xác thời gian với các đồng nghiệp trên bề mặt, cũng như các dịch vụ thời gian chính xác, vì sai số của đồng hồ nguyên tử nhỏ hơn 0,000001 phân số một giây mỗi ngày. Chi phí của chiếc đồng hồ nguyên tử nhỏ kỷ lục Symmetricom vào khoảng 1.500 USD.
Năm ngoái, 2012, đánh dấu 45 năm kể từ khi loài người quyết định sử dụng máy chấm công nguyên tử để đo thời gian chính xác nhất có thể. Năm 1967, loại thời gian quốc tế không còn được xác định bằng thang đo thiên văn - chúng được thay thế bằng chuẩn tần số Caesium. Chính ông là người đã nhận được cái tên phổ biến hiện nay - đồng hồ nguyên tử. Thời gian chính xác, mà họ cho phép xác định, có sai số không đáng kể một giây trong ba triệu năm, điều này cho phép chúng được sử dụng làm chuẩn thời gian ở bất kỳ nơi nào trên thế giới.
Một chút lịch sử
Ý tưởng sử dụng rung động nguyên tử để đo thời gian cực kỳ chính xác lần đầu tiên được nhà vật lý người Anh William Thomson thể hiện vào năm 1879. Nhà khoa học này đề xuất sử dụng hydro làm chất phát ra các nguyên tử cộng hưởng. Những nỗ lực đầu tiên để đưa ý tưởng vào thực tế chỉ được thực hiện vào những năm 40. thế kỷ XX. Đồng hồ nguyên tử hoạt động đầu tiên trên thế giới xuất hiện vào năm 1955 ở Anh. Người tạo ra chúng là nhà vật lý thực nghiệm người Anh, Tiến sĩ Louis Essen. Những chiếc đồng hồ này hoạt động dựa trên sự rung động của các nguyên tử Caesium-133 và nhờ chúng, các nhà khoa học cuối cùng đã có thể đo được thời gian với nhiều độ chính xác cao hơn hơn trước đây. Thiết bị đầu tiên của Essen cho phép sai số không quá một giây trong mỗi trăm năm, nhưng sau đó nó tăng lên nhiều lần và sai số trên mỗi giây chỉ có thể tích lũy trong 2-3 trăm triệu năm.
Đồng hồ nguyên tử: nguyên lý hoạt động
“Thiết bị” thông minh này hoạt động như thế nào? Đồng hồ nguyên tử sử dụng các phân tử hoặc nguyên tử làm bộ tạo tần số cộng hưởng. mức lượng tử. thiết lập kết nối hệ thống hạt nhân nguyên tử- electron" với nhiều mức năng lượng riêng biệt. Nếu một hệ thống như vậy bị ảnh hưởng với tần suất được chỉ định chặt chẽ thì hệ thống này sẽ chuyển từ mức độ thấp lên cao. Nó cũng có thể quá trình ngược lại: sự chuyển tiếp của một nguyên tử từ nhiều hơn cấp độ cao xuống thấp, kèm theo sự phát thải năng lượng. Những hiện tượng này có thể được kiểm soát và tất cả các bước nhảy năng lượng có thể được ghi lại bằng cách tạo ra một cái gì đó giống như mạch dao động (còn gọi là bộ dao động nguyên tử). Của anh ấy tần số cộng hưởng sẽ tương ứng với sự chênh lệch năng lượng của các mức chuyển tiếp lân cận của các nguyên tử, chia cho hằng số Planck.
Như là mạch dao động có những ưu điểm không thể phủ nhận so với những người tiền nhiệm về cơ học và thiên văn. Đối với một bộ dao động nguyên tử như vậy, tần số cộng hưởng của các nguyên tử của bất kỳ chất nào sẽ giống nhau, điều này không thể nói về con lắc và tinh thể áp điện. Ngoài ra, các nguyên tử không thay đổi tính chất theo thời gian và không bị hao mòn. Do đó, đồng hồ nguyên tử là loại máy đo thời gian cực kỳ chính xác và thực tế là vĩnh viễn.
Thời gian chính xác và công nghệ hiện đại
Mạng viễn thông, thông tin vệ tinh, GPS, máy chủ NTP, giao dịch điện tử trên sàn giao dịch chứng khoán, đấu giá trên Internet, thủ tục mua vé qua Internet - tất cả những điều này và nhiều hiện tượng khác đã được thiết lập vững chắc trong cuộc sống của chúng ta từ lâu. Nhưng nếu loài người không phát minh ra đồng hồ nguyên tử thì tất cả những điều này đã không xảy ra. Thời gian chính xác, đồng bộ hóa cho phép bạn giảm thiểu mọi sai sót, sự chậm trễ và chậm trễ, cho phép một người tận dụng tối đa nguồn tài nguyên vô giá không thể thay thế này, không bao giờ có quá nhiều.