原子時

原子時

原子時:TAI(international atomic time),以物質的原子內部發射的電磁振蕩頻率為基準的時間計量系統。

  • 中文名稱
    原子時
  • 外文名稱
    international atomic time
  • 計量單位
    原子時秒
  • 起    點
    1958年1月1日0時0分0秒(UT)
  • 原    理
    量子物理學的基本原理

概念

原子時的初始歷元規定為 1958年1月1日世界時0時,秒長定義為銫 -133 原子基態的兩個超精細能級間在零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續的時間 。這是一種均勻的時間計量系統。由于世界時存在不均勻性和歷書時的測定精度低,1967年起,原子時已取代歷書時作為基本時間計量系統 。原子時的秒長規定為國際單位製的時間單位,作為三大物理量的基本單位之一。原子時由原子鍾的讀數給出。國際計量局收集各國各實驗室原子鍾的比對和時號發播資料,進行綜合處理,建立國際原子時

由原子鍾(見天文時計)導出的時間叫原子時,簡稱AT。它以物質內部原子運動的特征為依據。

原子時計量的基本單位是原子時秒。它的定義是:銫原子基態的兩個超精細能級間在零磁場下躍遷輻射9,192,631,770周所持續的時間。1967年第十三屆國際計量大會決定,把在海平面實現的上述原子時秒,規定為國際單位製中的時間單位。

原子時起點定在1958年1月1日0時0分0秒(UT),即規定在這一瞬間原子時時刻與世界時刻重合。但事後發現,在該瞬間原子時與世界時的時刻之差為0.0039秒。這一差值就作為歷史事實而保留下來。在確定原子時起點之後,由于地球自轉速度不均勻,世界時與原子時之間的時差便逐年積累。

根據原子時秒的定義,任何原子鍾在確定起始歷元後,都可以提供原子時。由各實驗室用足夠精確的銫原子鍾導出的原子時稱為地方原子時。全世界大約有20多個國家的不同實驗室分別建立了各自獨立的地方原子時。國際時間局比較、綜合世界各地原子鍾資料,最後確定的原子時,稱為國際原子時,簡稱TAI。TAI的起點是這樣規定的:取1958年1月1日0時0分0秒UT的瞬間作為同年同月同日0時0分0秒TAIs。

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。這裏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。

30年代,拉比和他的學生們在哥倫比亞大學的實驗室裏研究原子和原子核的基本特徵。也就是在這裏,他們在依靠這種原子計時器來製造時鍾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,完全可以用來製作高精度的時鍾。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。 在這種時鍾裏,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另一狀態的躍遷。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。原子鍾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。

套用

人們日常生活需要知道準確的時間,生產、科研上更是如此。人們平時所用的鍾表,精度高的大約每年會有1分鍾的誤差,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鍾,它是20世紀50年代出現的。原子鍾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製,原子鍾的計時就可以非常準確了。用在原子鍾裏的元素有氫、銫(sè)、銣(rú)等。原子鍾的精度可以達到每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。

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