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樱之花

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分类中“我的实验室”是我在日常工作中的一些知识总结,有些写的比较匆忙,可能大家在阅读时会产生困扰,后期有时间我会重新整理编辑,谢谢大家的到访,您们的支持是我前进的动力!

什么是原子钟  

2007-12-28 10:09:34|  分类: 科普知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么是原子钟 - 魔术师 - 樱之花 yinzhihua2008

原子钟,它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。

根据量子物理学的基本原理,原子是按照不同电子排列顺序的能量差,也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

30年代,拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里,他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中,拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术,他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年,他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”(他的学生这样说道),也就是这些共振频率的准确性如此之高,完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

在这种时钟里,一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率,原子从磁场中吸收的能量就越多,从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路,人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

人们日常生活需要知道准确的时间,生产、科研上更是如此。人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是20世纪50年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢、(sè)、(rú)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

最准确的原子钟在美诞生

美国国家标准与技术局的科研小组日前宣布,他们成功地研制出一种新型光原子钟,其计算误差1亿年时间为1秒。这是迄今为止世界上最准确的时钟。

新型原子钟是一种光原子钟,其工作原理与微波原子钟所采用的基本原理相似,但不同的是新型原子钟利用的是可见光。由于光的频率比微波的高,所以能提供精度更高、更准确的计时。

科研小组负责人迪当斯博士说,目前最准确的原子钟是以铯原子的固有振动频率来调节的铯原子钟,它可以精确到计算1500万年时间误差仅为1秒,而光原子钟的准确度可能是目前铯原子钟的100至1000倍。科学家认为,新型光原子钟能使人们更精细地理解物质世界的时间,对基本物理常数作更精确地计量。由于准确计时对于高速数据传输、同步电视发送、银行转账结算、发送电子邮件、卫星轨道的精确控制、深太空导航以及航天器的对接等极为重要,新型光原子钟的应用将对上述领域产生重大影响。

在人类开发钟表技术的历程中,20世纪50年代出现的原子钟使计时达到“天文数字般”的准确。原子钟是根据原子固有振动而制成的,也就是精确测量出特定原子释放的微波频率。1967年,科学家采用铯原子钟技术以微波频率给“秒”作定义,即1秒钟等于“铯133原子两个基态能级的转换所经过的9, 192,631,770个辐射周期”所需要的时间。

据该科研小组发表在《科学》杂志上的论文介绍,他们发明的光原子钟是以一个冷却的汞离子(去掉一个电子的汞原子)的光频为基础设计的,汞离子的光频传到一个激光振荡器上,这个振荡器的作用像传统时钟的钟摆产生“滴答”动作一样。所不同的是,新的光原子钟每秒产生的“滴答”次数是1.064×1024,次数如此之多,研究人员不得不用借助于高速激光与光缆,以便“数”出这些“滴答”次数以达到计时目的。

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