原子鐘

原子鐘,它最初本是由物理學家創造出來用於探索宇宙本質的;他們從來沒有想過這項技術有朝一日竟能套用於全球的導航系統上。

  • 中文名稱
    原子鐘
  • 用途
    探索宇宙本質的
  • 套用
    全球的導航系統上
  • 精度
    可以達到每100萬年才誤差1秒
  • 出現時間
    20世紀50年代出現
  • 原理
    根據原子物理學的基本原理
  • 發現者
    拉比和他的學生們
  • 主要利用
    氫,銫,銣等

簡介

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。由於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(Hydrogen)、(Cesium)、(rubidium)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。

基本原理

根據原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。這裡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。這種電磁波特徵頻率是不連續的,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9 192 631 770Hz。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。也就是在這裡,他們在依靠這種原子計時器來製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,完全可以用來製作高精度的時鐘。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

拉比(Rabi)拉比(Rabi)

在這種時鐘里,一束處於某一特定"超精細狀態"的原子束穿過一個振盪電磁場。當原子的超精細躍遷頻率越接近磁場的振盪頻率,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。通過一個反饋迴路,人們能夠調整振盪場的頻率直到所有的原子完成了躍遷。原子鐘就是利用振盪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衝的節拍器。

發現史

直到上世紀20年代,最精確的時鐘還是依賴於鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基於石英晶體有規則振動而製造的,這種時鐘的誤差每天不大於千分之一秒。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,反射鏡和雷射器。位於中部的管子高1.70米,銫原子在其中上下移動,發出極為規則的"信號"。

上世紀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,使基於上述原子計時器的時鐘研製取得了實質性進展。在拉比構想的時鐘里,處於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,並因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷。反饋迴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衝,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。

二戰後,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。扎卡來亞斯計畫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於時間的作用。研製過程中,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攜帶型儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生產出了第一個原子鐘,並在四年內售出50個,如今用於GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的後代。

最早的原子鐘之一最早的原子鐘之一

到了1967年,關於原子鐘的研究如此富有成效,以至於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10萬年內不大於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,區別在於元素的使用及能量變化的觀測手段),都已成功的套用於太空、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衛星系統最終採用的就是銫原子鐘。

2010年2月,由美國國家標準局研製的鋁離子光鍾已達到37億年誤差不超過1秒的驚人水平,成為世界上最準的原子鐘。

種類

銫原子鐘

銫原子鐘它利用銫原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準,去控制校準電子振盪器,進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高,目前,最好的銫原子鐘達到2000萬年才相差 1 秒。現在國際上, 普遍採用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標準,廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。

銫原子鐘 NIST 7銫原子鐘 NIST 7

氫原子鐘

氫原子鐘一種精密的計時器具。氫原子鐘是在現代的許多科學實驗室和生產部門廣泛使用一種精密的時鐘,它是利用原子能級跳躍時輻射出來的電磁波去控制校準石英鐘,但它用的是氫原子。這種鐘的穩定程度相當高,每天變化只有十億分之一秒。氫原子鐘亦是常用的時間頻率標準,被廣泛用於射電天文觀測、高精度時間計量、火箭和飛彈的發射、核潛艇導航等方面。氫原子鐘首先在1960年為美國科學家拉姆齊研製成功。氫原子鐘是種高精度的時間和頻率標準,在國防、空間技術和現代科學試驗中有著重要的套用。

氫原子鐘氫原子鐘

銣原子鐘

是所有原子鐘中最簡便、最緊湊的一種。這種時鐘使用一玻璃室的銣氣,當周圍的微波頻率剛好合適時,就會按光學銣頻率改變其光吸收率。 三種原子鐘――銫原子鐘、氫微波激射器和銣原子鐘,都已成功的套用於太空、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衛星系統最終採用的就是銫原子鐘。

最小的銣原子鐘最小的銣原子鐘

此外,還可以通過使用雷射束來防止銫原子前後高速移動,從而可以減少因都卜勒效應而產生的輕微頻率變化。

CPT原子鐘

CPT原子鐘是利用原子的相干布局囚禁原理而實現的一種新型原子鐘,也是目前從原理上唯一可實現微型化的原子鐘,其體積、功耗比目前體積、功耗最小的銣原子鐘相比還要小得多。最小的CPT原子鐘可為手錶尺寸,並用紐扣電池供電。由於這些特點,CPT原子鐘在遠程通訊系統定時、大範圍通訊網路同步、武器裝備的便攜化等軍、民套用方面具有很好的套用前景。例如,CPT頻標套用於GPS接收機,可以顯著提高導航定位精度。歐美等西方國家已經把攜帶型和微型化CPT頻標的研發作列入國家戰略發展目標。美國已經有兩種商品CPT頻標上市。 中科院武漢物理與數學研究所2006年研製出我國首台CPT原子鐘樣機,隨後立即轉入具有重要套用背景的樣機研製。最近,以顧思洪研究員為首的研究人員在CPT原子鐘核心技術攻關方面取得重要進展,研製出性能得到明顯改進的CPT原子鐘,其穩定度和功耗等主要指標已與國外商品鐘的指標相當。下一階段的主要研究目標是進一步最佳化設計參數,並進行工藝改進,研製出可以滿足實際套用要求的CPT原子鐘。

原子鐘

工作原理

銫原子鐘的工作原理

每一個原子都有自己的特徵振動頻率。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,一些位於無線電波波段,一些位於可見光波段,而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。將銫原子共振子置於原子鐘內,需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是採用鎖定晶體振盪器到銫原子的主要微波諧振來實現。這一信號處於無線電的微波頻譜範圍內,並恰巧與廣播衛星的發射頻率相似,因此工程師們對製造這一頻譜的儀器十分在行。

為了製造原子鐘,銫原子會被加熱至汽化,並通過一個真空管。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,然後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範圍內震盪,以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振盪器所產生的微波的頻率範圍已經接近於這一精確頻率。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於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,並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盪器作微小的修正,並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衝

銫原子鐘內部結構銫原子鐘內部結構

工作過程

銫原子鐘的工作過程

噴泉鍾

銫原子鐘又被人們形象的稱作"噴泉鍾",因為銫原子鐘的工作過程是銫原子象噴泉一樣的"升降"。這一運動使得頻率的計算更加精確。圖中詳細的描繪了銫原子鐘工作的整個過程。這個過程可以分割為四個階段:

第一階段

由銫原子組成的氣體,被引入到時鐘的真空室中,用6束相互垂直的紅外線雷射(黃線)照射銫原子氣,使之相互靠近而呈球狀,同時雷射減慢了原子的運動速度並將其冷卻到接近絕對零度。

銫原子鐘工作過程銫原子鐘工作過程

第二階段

兩束垂直的雷射輕輕地將這個銫原子氣球向上舉起,形成"噴泉"式的運動,然後關閉所有的雷射器。這個很小的推力將使銫原子氣球向上舉起約1m高,穿過一個充滿微波的微波腔,這時銫原子從微波中吸收了足夠能量。

第三階段

在地心引力的作用下,銫原子氣球開始向下落,再次穿過微波腔,並將所吸收的能量全部釋放出來。當在微波腔中發生狀態改變的銫原子與雷射束再次發生作用時就會放射出光能。

第四階段

在微波腔的出口處,另一束雷射射向銫原子氣,探測器將對輻射出的螢光的強度進行測量。

上述過程將多次重複進行,而每一次微波腔中的頻率都不相同。由此可以得到一個確定頻率的微波,使大部分銫原子的能量狀態發生相應改變。這個頻率就是銫原子的天然共振頻率,或確定秒長的頻率。

最新成果

美國《科學》雜誌於2001年7月12日公布的一項研究結果表明,美國政府科學家已經將先進的雷射技術和單一的汞原子相結合而研製出了世界上最精確的時鐘。位於美國科羅拉多州博爾德城的美國國家標準與技術研究所的科學家研製出了這種新型的以高頻不可見光波和非微波輻射為基礎的原子鐘。由於這種時鐘的研製主要是依靠雷射技術,因而它被命名為"全光學原子鐘"。

我們知道原子時鐘的"滴答"來自於原子的轉變,在當前的原子鐘中,銫原子是在微波頻率範圍內轉變的,而光學轉變發生在比微波轉變高得多的頻率範圍,因此它能夠提供一個更精細的時間尺度,也就可以更精確地計時。這種新研製出來的全光學原子時鐘的指針在1秒鐘內走動時發出的"滴嗒"聲為一千的五次方(在1後加15個零所得的數),是現在最高級的時鐘――微波銫原子鐘的十萬倍。所以,用它來測量時間將更精確得多。

所有時鐘的構造都包括兩大部分:即能夠按照固定周期走動的裝置,如鐘擺;還有一些計算、累加和顯示時間流失的裝置,如驅動時鐘指針的齒輪。在大約50年前首次研製出的原子鐘增加了第三部分,即以特定的頻率對光和電磁輻射作出反應的原子,這些原子用來控制"鐘擺"。目前最高級的原子鐘,就是利用100萬個液態金屬銫原子對微波輻射做出反應來控制時鐘指針的走動。這樣的時鐘指針每秒鐘大約走動100億次,時鐘指針走動得越快,時鐘計算的時間也就越精確。但是銫原子鐘使用的高速電子學技術並不能計算更多的時鐘指針走動次數。因而,美國科學家在研究新型的全光學原子鐘時使用的不是銫原子,而是單個冷卻的液態汞離子(即失去一個電子的汞原子),並把它與功能相當於鐘擺的飛秒(一千萬億分之一秒)雷射振盪器相連,時鐘內部配備了光纖,光纖可將光學頻率分解成計數器可以記錄的微波頻率脈衝。

要製造出這種原子鐘需要有能夠捕捉相應離子,並將捕捉到的離子足夠靜止來保證準確的讀取數據的技術,同時要能保證在如此高的頻率下來準確的計算"滴答"的次數。這種時鐘的質量依賴於它的穩定性和準確性,也就是說,這個時鐘要提供一個持續不變的輸出頻率,並使它的測量頻率與原子的共振頻率相一致。

領導這一研究的美國物理學家斯科特·迪達姆斯(S.A. Diddams)說:"我們首次展示了這種新一代原子鐘的原理,這種時鐘可能比目前的微波銫原子鐘精確100到1000倍。"它可以計算有史以來最短的時間間隔。科學家們預言這種時鐘可以提高航空技術、通信技術,如行動電話和光纖通信技術等的套用水平,同時可用於調節衛星的精確軌道、外層空間的航空和聯接太空船等。

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