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原子秒 atomic senor是现在世界单位制中时刻的基本单位,1967年第十三届世界计量大会通过选用。界说为:“秒是绝一133原子在其基态的两个超精密级间跃福射9192631770个周期所继续的时刻。

原子秒是由原子振动周期,即原子跃迁时发射或吸收电磁波的周期导出的时刻基本单位。 这种振动周期的安稳性有多高,现在理论上还无法证明。 但复现的成果与界说值的误差却能做到很小,到 1995 年已达到了10-14量级。



关于此界说要侧重了解;为什么选用基态的超精密能级,为什么选铯-133(铯的同位素),又为什么选取这样一个难记的整数。

一、理论联系

在原子内部,电子绕着原子核旋转具有动能, 电子与原子核之间的静电效果又具有静电势能,电子与电子之间也具有静电势能⋯⋯这些能量的总合称为原子的总内能量,简称原子的能量。原子能量的数值决议于原子中各电子的运动姿势。每种运动状况对应着必定的总能量。

量子理论以为: 原子中电子的运动状况不能是恣意的, 每种原子只能有若干个特定的运动状况, 由此,每种原子的能量只能取若干个特定的值。 这些或许的能量值称为能级。

某种原子的能级是指这种原子或许具有的能量。关于一个原子而言,在某一时刻只能处在其间某一种运动状况, 或许说只能处在某一个能级上。 最低的能级,即原子具有最小能量时的运动状况称为基态, 其他能级称为激发态。

绝大多数原子都处于基态上,激发态愈高,原子数愈少。

原子在必定的外界条件影响下, 能够从一个能级跳到另一个能级, 即从一种运动状况改变到另一种运动状况。 这种进程称为原子的跃迁。 假如外界影响是电磁波(光也归于电磁波) 时,则发作的跃迁称为辐射跃迁。 原子秒的界说以及各种原子频标所用的都是辐射跃迁。

当原子从低能级跃迁到高能级时要从外界吸收一部分能量, 反之就放出一部分能量。但跃迁是有条件的, 只要当外界鼓励信号的频率满意下列条件时, 跃迁才干发作:

hv -= E2-E1(1-1)

式中 h为普朗克常数;

v为鼓励信号的频率;

E1、E2为跃迁的两个能级值。

换句话说,当原子跃迁时, 不管是从外界电磁波吸收能量, 仍是以电磁波方式放出能量,这些电磁波的频率有必要满意上式联系。从式中看出, h 为常数。理论证明原子的能级是十分安稳的, 因此所对应的电磁波的频率, 或许其到数一周期也是十分安稳的,由此引发人们运用这种振动的周期树立时刻基本单位。

二、实践要求

理论上,任何一种元素的原子在任何两个能级间跃迁时, 所放出或吸收的电 磁波的频率都遵从式(1-1),即都是十分安稳的,都可用于界说原子秒。但在复 现上会遭到现有技能条件及科学水平的约束。

从实践复现视点应考虑;

(1)所选的元素其原子的能级应尽或许简略。式( 1-1)中的 E1、E2 是核算 得到的,原子能级愈简略,核算的精确度愈高。

(2)所选的发作跃迁的两个能级之差应尽或许小。 差值愈小,对应频率愈低, 技能上愈简略完成。

(3)所选用的跃迁能级上的原子应尽或许多,以便得到较强的跃迁信号。 从第(1)点要求看,氢元素的原子结构最简略,只要一个电子。其次是碱 金属元素,即锂钠钾铷铯等, 也只要一个价电子。 这些元素的原子的能级都易于精确核算。但在实践研讨中发现铯原子跃迁时, 各种要素的影响较小, 且可精确测定其影响量,故最终决议用铯原子跃迁时辐射的周期界说秒。

铯—133是天然 存在的易得到的很纯的同位素。 考虑第(2)点的要求,当原子在基态和激发态之间或在两个激发态之间跃迁时,所对应的频率都十分高,都在光频规模,从技能上难于精确操控。只要在 两个超精密能级间跃迁时,对应的频率才落在技能上已很老练的无线电微波规模 内。此外,从第( 3)点要求,在正常情况下,很多的原子都处在基态上。故在原子秒的界说时选用了基态上的两个超精密能级。 前边剖析的原子的能级仅仅大略的一级近似。 即只考虑电子与原子核间的静 电势能(电子的动能与此比较其值很小) 。实践上电子在绕核滚动时适当一闭环电流,因此会发作磁场,此外电子除绕核公转外,自身还在自转(自旋),自转 的方向又有两种,这种自转也会发作磁场。 公转磁场与自转磁场之间发作彼此作 用,使电子在静电势能上又叠加上了一部分磁能。 这样本来一级近似的能级就会 分红两条新的能级, 称为原子的精密能级,因为磁能很小,故精密能级之差比原 来的能级差要小3个数量级。 再进一步深入研讨, 发现正电荷在原子核内的散布不能看作为一个点,故发作的电场不能简略的用点电荷电场处理,与电子彼此效果的静电势能也发作了改变。此外,原子核自身也在自旋,也会发作磁场,这个磁场与电子运动的磁场彼此效果的成果,使磁能也发作了改变。考虑了这两种效果后,原子的精密能级又会分红超精密能级,后者能级差又比前者能级差小3个数量级。

三、秒界说的的连续性

原子秒以其高度的安稳性替代了地理秒 但不能彻底脱节地理秒,关于一个物理量进行从头界说时,有必要考虑量值的连续性。不然现已树立的或习气的一些联系就会打乱。

在测定绝原子跃迁频率时,只能用其时运用的历书秒。 测定成果是(9192631770±20)Hz。这个数值含义是每次丈量的值都不同,其改变是在20Hz 以内。假如历书秒是肯定安稳的,则这种改变会看作是原子跃迁频率的不安稳。实践上后者是十分安稳的,这种丈量成果的改变是在±20Hz规模内,正是历书秒不稳构成的。假如取原子跃迁辐射的 919263170个周期作为新的秒,则与本来的历书秒的差异仅仅在历书秒的不安稳部分。这就满意了界说值的连续性要求。

第四节 原子秒的复现

原子基态的超精密能级间的跃迁主要是受激跃迁,即需求在外界信号的鼓励下,低能级的原子会吸收一部分能量跳到高能级,高能级的原子会放出一部分能量跳到低能级。

从前边的理论联系式能够得出:假如两个能级E1和E2的值是专一的确认值,则跃迁曲线应是一条直线。实践上,不管那条能级都不是专一的一个确认值,在能级图上并不是肯定的一条直线,而是有必定的宽度,这种加宽的原因一是能级固有的, 另一是完成跃迁时各种外界要素的影响。而式 1-1 的联系是彻底不变的,所以就发作了图中所示的跃迁曲线,不同的能级差对 应不同的跃迁频率。

原子跃迁曲线类似于一般振动电路的谐振曲线, 故发作原子跃的部分可简称 为原子谐振器。 因为是受激跃迁,秒界说的复现设备由两大部分组成,一是原子谐振器,另一是鼓励信号发作器。在跃迁曲线上仅仅中心频率是精确已知的,即ν 0=9192631770Hz,有必要加上操控部分调理鼓励信号的频率,使跃迁一直发作在中心频率对应的能级上。

原子秒界说的复现是通过复现原子跃迁频率得到的, 故这种复现设备一般称 为时刻频率基准器,简称为铯原子钟。现在时频基准器有两种:一是经典的, 原 子谐振器水平放置;另一种是新式的,原子谐振器笔直放置。


磁选态铯原子钟


经典的秒界说复现器—磁选态铯原子钟

图中大方框部分为原子谐振器,置于高度真空的园筒内,水平放置。铯炉内装有粉末状铯元素, 在高温下变成气体喷出通过选态磁铁, 欲发作跃迁的两种能态( E1 和 E2)上的原子在强磁场力的效果下向不同方向偏转,假定只要 E2 态上的原子能穿过谐振腔,在微波鼓励信号的效果下发作跃迁,变成 E1态。通过相同的磁铁,称为检测磁铁, 遭到磁场力的效果向另一方向偏转,在偏转的途径上放一离化丝, 在已跃迁的原子的冲击下发作离化电流, 通过质谱计和电子倍增器扩大构成满足强的电流,称为跃迁信号。

鼓励信号是由压控晶振的频率,一般为5MHz,归纳得到。鼓励信号的频率(晶振的频率 )发作改变时,跃迁信号的强度也随之改变,只要当鼓励信号频率νP等于所选跃迁能级对应的跃迁频率即ν0时,跃迁信号最大 ,此刻晶振频率为精确的5MHz。何服体系的效果便是操控晶振的频率,使跃迁信号最大。

由跃迁曲线上看,当鼓励信号的频率违背中心频率时, 不管是添加仍是减小,都使跃迁信号减小, 而何服体系有必要给出方向相反的操控信号。 解决办法是在鼓励信号上加一低频率调制信号,较具体的原理如图所示。


铯原子伺服体系

当鼓励信号频率等于跃迁曲线上的中心频率时,在跃迁信号上只检测到调制信号的二次谐波,不发作对压控晶振的操控信号,当鼓励信号频率违背中心频率时,在跃迁信号上会检测出调制信号的基波,违背方向不同,基波的相位相反,检相后就发作极性相反的操控电压,向不同方向调整晶振的频率,确保鼓励信号的频率一直维持在中心频率上。

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