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什么是原子秒 atomic senor?
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发表时间:2019-03-05 11:45

原子秒 atomic senor是目前国际单位制中时间的基本单位,1967年第十三届国际计量大会通过采用。定义为:“秒是绝一133原子在其基态的两个超精细级间跃福射9192631770个周期所?#20013;?#30340;时间。

原子秒是由原子振荡周期,即原子跃迁时发射或吸收电磁波的周期导出的时间基本单位。 这种振荡周期的稳定性有多高,目前理论上还无法证明。 但复现的结果与定义值的偏差却能做到很小,到 1995 年已达到了10-14量级。

原子秒.jpg

对于此定义要着重理解;为什么选用基态的超精细能级,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、理论关系

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作用又具有静电势能,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。原子能量的数值决定于原子中各电子的运动姿态。每种运动状态对应着一定的总能量。

量子理论认为: 原子中电子的运动状态不能是?#25105;?#30340;, 每种原子只能有若干个特定的运动状态, 由此,每种原子的能量只能取若干个特定的值。 这些可能的能量值称为能级。

?#25345;?#21407;子的能级是指这种原子可能具有的能量。对于一个原子而言,在某一时刻只能处在其中某一种运动状态, 或者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态称为基态, 其他能级称为激发态。

绝大多数原子?#21363;?#20110;基态上,激发态愈高,原子数愈少。

原子在一定的外界条件刺激下, 可以从一个能级跳到另一个能级, 即从一种运动状态改变到另一种运动状态。 这种过程称为原子的跃迁。 如果外界刺激是电磁波(光也属于电磁波) 时,则发生的跃迁称为辐射跃迁。 原子秒的定义以?#26696;?#31181;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, 只有当外界激励信号的频率满足下列条件时, 跃迁才能发生:

hv -= E2-E1(1-1)

式中 h为普朗克常数;

v为激励信号的频率;

E1、E2为跃迁的两个能级值。

换句话说,当原子跃迁时, 无论是从外界电磁波吸收能量, 还是以电磁波形式放出能量,这些电磁波的频?#26102;?#39035;满足上式关系。从式中看出, h 为常数。理论证明原子的能级是非常稳定的, 因而所对应的电磁波的频率, 或者其到数一周期也是非常稳定的,由此引发人们利用这种振荡的周期建立时间基本单位。

二、实际要求

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?#35782;?#36981;循式(1-1),即都是非常稳定的,都可用于定义原子秒。但在复 现上会受到?#38047;屑际?#26465;件及科学水平的限制。

从实际复现角度应考虑;

(1)所选的元素其原子的能级应尽可能简单。式( 1-1)中的 E1、E2 是计算 得到的,原子能级愈简单,计算的准确度愈高。

(2)所选的发生跃迁的两个能级之差应尽可能小。 差值愈小,对应频率愈低, ?#38469;?#19978;愈容?#36164;?#29616;。

(3)所选用的跃迁能级上的原子应尽可能多,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单,只有一个电子。其次是碱 金属元素,即锂钠钾铷铯等, 也只有一个价电子。 这些元素的原子的能级都?#23376;?#20934;确计算。但在实际研究中发现铯原子跃迁时, 各种因素的影响较小, 且可准确测定其影响量,?#39318;?#21518;决定用铯原子跃迁时辐射的周期定义秒。

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?#22270;?#21457;态之间或在两个激发态之间跃迁时,所对应的频?#35782;?#38750;常高,都在光频范围,从?#38469;?#19978;难于准确控制。只有在 两个超精细能级间跃迁时,对应的频?#20160;?#33853;在?#38469;?#19978;已很成熟的无线电微波范围 内。此外,从第( 3)点要求,在正常情况下,大量的原子?#21363;?#22312;基态上。故在原子秒的定义时选用了基态上的两个超精细能级。 前边分析的原子的能级只是粗略的一级近似。 即只考虑电子与原子核间的静 电势能(电子的动能与此相比其值很小) 。实际?#31995;?#23376;在绕核转动时相当一闭环电流,因而会产生磁场,此外电子除绕核公转外,本身还在自转(自旋),自转 的方向?#38047;?#20004;种,这种自转也会产生磁场。 公转磁场与自转磁场之间发生相互作 用,使电子在静电势能上?#20540;由?#20102;一部分磁能。 这样原来一级近似的能级就会 分成两条新的能级, 称为原子的精细能级,由于磁能很小,故精细能级之差比原 来的能级差要小3个数量级。 再进一步深入研究, 发现正电荷在原子核内的分布不能看作为一个点,?#20160;?#29983;的电场不能简单的用点电荷电场处理,与电子相互作用的静电势能也发生了变化。此外,原子核本身也在自旋,也会产生磁场,这个磁场与电子运动的磁场相互作用的结果,使磁能也发生了变化。考虑了这两种作用后,原子的精细能级又会分成超精细能级,后者能级差又比前者能级差小3个数量级。

三、秒定义的的连续性

原子秒以其高度的稳定性取代了天文秒 但不能完全摆脱天文秒,对于一个物理量进行重新定义时,必须考虑量值的延续性。否则已经建立的或习惯的一些关系就会打乱。

在测定绝原子跃迁频率时,只能用当时使用的历书秒。 测定结果是(9192631770±20)Hz。这个数值含意是每次测量的值都不同,其变化是在20Hz 以内。如果历书秒是绝对稳定的,则这种变化会看作是原子跃迁频率的不稳定。实际上后者是非常稳定的,这种测量结果的变化是在±20Hz范围内,正是历书秒不稳造成的。如果取原子跃迁辐射的 919263170个周期作为新的秒,则与原来的历书秒的差异只是在历书秒的不稳定部分。这就满足了定义值的延续性要求。

第四节 原子秒的复现

原子基态的超精细能级间的跃迁主要是受激跃迁,即需要在外界信号的激励下,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。

从前边的理论关系式可以得出:如果两个能级E1和E2的值是惟一的确定值,则跃迁曲线应是一条直线。实际上,无论那条能级都不是惟一的一个确定值,在能级图上并不是绝对的一条直线,而是有一定?#30446;?#24230;,这种加宽的原因一是能级固有的, 另一是实现跃迁时各种外界因素的影响。而式 1-1 的关系是完全不变的,于是就产生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普通振荡电路的谐振曲线, 故发生原子跃的部分可简称 为原子谐振器。 由于是受激跃迁,秒定义的复现装置由两大部分组成,一是原子谐振器,另一是激励信号发生器。在跃迁曲线上只是中心频率是准确已知的,即ν 0=9192631770Hz,必须?#30001;?#25511;制部分调节激励信号的频率,使跃迁始终发生在中心频?#35782;?#24212;的能级上。

原子秒定义的复现是通过复现原子跃迁频率得到的, ?#25910;?#31181;复现装置通常称 为时间频率基?#35745;鰨?#31616;称为铯原子钟。目前时频基?#35745;?#26377;两种:一是经典的, 原 子谐振器水平放置;另一种是新型的,原子谐振器垂直放置。

磁选态铯原子钟.png

经典的秒定义复?#21046;鰲?#30913;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?#36798;?#20803;素, 在高温下变成气体喷出通过选态磁铁, 欲发生跃迁的两种能态( E1 和 E2)上的原子在强磁场力的作用下向不同方向偏转,假设只有 E2 态上的原子能穿过谐振腔,在微波激励信号的作用下发生跃迁,变成 E1态。通过同样的磁铁,称为检测磁铁, 受到磁场力的作用向另一方向偏转,在偏转的路径上放一离化丝, 在已跃迁的原子的冲击下产生离化电流, 经过?#21183;?#35745;和电子?#23545;?#22120;放大形成足够强的电流,称为跃迁信号。

激励信号是由压控晶振的频率,一般为5MHz,综?#31995;?#21040;。激励信号的频率(晶振的频率 )发生变化时,跃迁信号的强度也随之变化,只有当激励信号频率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 ,此时晶振频率为准确的5MHz。何服系统的作用就是控制晶振的频率,使跃迁信号最大。

由跃迁曲线上看,当激励信号的频率偏离中心频率时, 无论是增加还是减小,?#38469;?#36291;迁信号减小, 而何服系统必须给出方向相反?#30446;?#21046;信号。 解决办法是在激励信号上加一低频率调制信号,较详细的原理如图所示。

铯原子伺服系统.png铯原子伺服系统

当激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,不产生对压控晶振?#30446;?#21046;信号,当激励信号频率偏离中心频率时,在跃迁信号上会检测出调制信号的基波,偏离方向不同,基波的相位相反,检相后就产生极性相反?#30446;?#21046;电压,向不同方向调整晶振的频率,保证激励信号的频率始终维持在中心频率上。

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