原子鐘的基本原理
2013-08-28 16:05:45 來源: 測繪論壇
基本原理
根據量子物理學的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續的。當原子從一個“能量態”躍遷至低的“能量態”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。因此銫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。
發現人
30年代，拉比和他的學生們在哥倫比亞大學的實驗室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在這里，他們在依靠這種原子計時器來制造時鐘方面邁出了有價值的第一步。在其研究過程中，拉比發明了一種被稱為磁共振的技術。依靠這項技術，他便能夠測量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎。同年，他還首先提出“要討論討論這樣一個想法”（他的學生這樣說道），也就是這些共振頻率的準確性如此之高，完全可以用來制作高精度的時鐘。他還特別提出要利用所謂原子的“超精細躍遷”的頻率。這種超精細躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細微能量差別的狀態之間的躍遷。 在這種時鐘里，一束處于某一特定“超精細狀態”的原子束穿過一個振蕩電磁場。當原子的超精細躍遷頻率越接近磁場的振蕩頻率，原子從磁場中吸收的能量就越多，從而產生從原始超精細狀態到令一狀態的躍遷。通過一個反饋回路，人們能夠調整振蕩場的頻率直到所有的原子完成了躍遷。原子鐘就是利用振蕩場的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產生時間脈沖的節拍器。
比普通鐘表更精確
人們日常生活需要知道準確的時間，生產、科研上更是如此。人們平時所用的鐘表，精度高的大約每年會有1分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但在要求很高的生產、科研中就需要更準確的計時工具。目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘，它是20世紀50年代出現的。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的。由于這種電磁波非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。現在用在原子鐘里的元素有氫(Hactare)、銫(Seterium))、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。
人類原子鐘的發現史
直到本世紀20年代，最精確的時鐘還是依賴于鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基于石英晶體有規則振動而制造的，這種時鐘的誤差每天不大于千分之一秒。即使如此精確，但它仍不能滿足科學家們研究愛因斯坦引力論的需要。根據愛因斯坦的理論，在引力場內，空間和時間都會彎曲。因此，在珠穆朗瑪峰頂部的一個時鐘，比海平面處完全相同的一個時鐘平均每天快三千萬分之一秒。所以精確測定時間的唯一辦法只能是通過原子本身的微小振動來控制計時鐘。 NIST F-1原子鐘，它由170個元器件組成，其中包括透鏡，反射鏡和激光器。位于中部的管子高1.70米，銫原子在其中上下移動，發出極為規則的“信號”。 本世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生在研究原子及其原子核的基本性質時所獲得的成果，使基于上述原子計時器的時鐘研制取得了實質性進展。在拉比設想的時鐘里，處于某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，并因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷。反饋回路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈沖，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。1949年，拉比的學生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精確。1989年，拉姆齊因此而獲得了諾貝爾獎。 二戰后，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕里合作建造完成的，但這個鐘需要一個房間的設備，所以實用性不強。另一名科學家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器。扎卡來亞斯計劃建造一個被他稱為原子噴泉的、充滿了幻想的原子鐘，這種原子鐘非常精確，足以研究愛因斯坦預言的引力對于時間的作用。研制過程中，扎卡來亞斯推出了一種小型的原子鐘，可以從一個實驗室方便地轉移到另一個實驗室。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鐘。兩年后該公司生產出了第一個原子鐘，并在四年內售出50個，如今用于GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的后代。 到了1967年，關于原子鐘的研究如此富有成效，以至于人們依據銫原子的振動而對秒做出了重新定義。如今的原子鐘極其精確，其誤差為10萬年內不大于1秒。歷經數年的努力，三種原子鐘――銫原子鐘、氫微波激射器和銣原子鐘（它們的基本原理相同，區別在于元素的使用及能量變化的觀測手段），都已成功的應用于太空、衛星以及地面控制。現今為止，在這三類中最精確的原子鐘是銫原子鐘，GPS衛星系統最終采用的就是銫原子鐘。 今天，名為NIST F-1的原子鐘是世界上最精確的鐘表，但它并不能直接顯示鐘點，它的任務是提供“秒”這個時間單位的準確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標準和技術研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部內。1999年才建成的這座鐘價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年內，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鐘既沒有指針也沒有齒輪，只有激光束、鏡子和銫原子氣。
銫原子鐘的工作原理
每一個原子都有自己的特征振動頻率。人們最熟悉的振動頻率現象就是當食鹽被噴灑到火焰上時食鹽中的元素鈉所發出的桔紅色的光。一個原子具有多種振動頻率，一些位于無線電波波段，一些位于可見光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。 原子鐘
將銫原子共振子置于原子鐘內，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來實現。這一信號處于無線電的微波頻譜范圍內，并恰巧與廣播衛星的發射頻率相似，因此工程師們對制造這一頻譜的儀器十分在行。 為了制造原子鐘，銫原子會被加熱至汽化，并通過一個真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個用來選擇合適的能量狀態原子的磁場，然后通過一個強烈的微波場。微波能量的頻率在一個很窄的頻率范圍內震蕩，以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產生的微波的頻率范圍已經接近于這一精確頻率。當一個銫原子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態將會發生相應改變。 在更遠的真空管的盡頭，另一個磁場將那些由于微波場在正確的頻率上而已經改變能量狀態的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，并在處在正確頻率的微波場處呈現峰值。這一峰值被用來對產生的晶體振蕩器作微小的修正，并使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現實世界需要的每秒一個脈沖。
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