原子鐘（利用原子的一定共振頻率而制造的計時儀器）

原子鐘（利用原子的一定共振頻率而制造的計時儀器）

原子鐘 （利用原子的一定共振頻率而制造的計時儀器） 次瀏覽 | 2022.08.02 14:37:09 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 原子鐘利用原子的一定共振頻率而制造的計時儀器

原子鐘，它最初本是由物理學家創造出來用于探索宇宙本質的；他們從來沒有想過這項技術有朝一日竟能應用于全球的導航系統上。利用原子的一定共振頻率而制造的精確度非常高的計時儀器。是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準，也是國際時間和頻率轉換的基準，用來控制電視廣播和全球定位系統。現在用在原子鐘里的元素有氫、銫、銣等，最好的銫原子鐘精度可以達到每500萬年相差1秒。現在的世界標準時間，即是由原子鐘報時的協調世界時。2010年2月，由美國國家標準局研制的鋁離子光鐘已達到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。

中文名

原子鐘

用途

探索宇宙本質的

應用

全球的導航系統上

精度

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

定義原子鐘

原子鐘以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確，是世界上已知最準確的時間測量和頻率標準，也是國際時間和頻率轉換的基準，用來控制電視廣播和全球定位系統衛星的訊號。

原子鐘里的元素有氫、銫(sè)、銣(rú)等。最好的銫原子鐘精度可以達到每500萬年相差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。

歷史原子鐘

直到20世紀20年代，最精確的時鐘還是依賴于鐘擺的有規則擺動。取代它們的更為精確的時鐘是基于石英晶體有規則振動而制造的，這種時鐘的誤差每天不大于千分之一秒。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。

1945年，哥倫比亞大學物理教授Isidor?Rabi建議采用他在二十世紀三十年代開發的原子束磁共振法制造時鐘。

1949年，國家標準局（NBS，現稱美國國家標準技術協會，簡稱NIST）宣告開發了全球第一臺將氨分子用做振蕩源的原子鐘；1952年，該機構宣告開發了第一臺將銫原子用做振蕩源的原子鐘，即NBS-1。

1955年，英國國家物理實驗室制造出了第一臺可用做振蕩源的銫束原子鐘。在其后的十年中，越來越多的先進時鐘相繼問世。

1967年，第13屆度量衡大會在銫原子振蕩技術的基礎上制定了SI秒，從此，全球的計時系統不再以天文學技術為基礎。NBS-4于1968年完工，它是世界上最穩定的銫原子鐘，到二十世紀九十年代為止，它一直是NIST時間系統的重要組成部分。

1999年，NIST-F1開始投入使用，其誤差為1.7×10，即精度約為2000萬年偏差1秒，是有史以來最精確的時鐘。但它并不能直接顯示鐘點，它的任務是提供“秒”這個時間單位的準確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標準和技術研究所（NIST）物理實驗室的時間和頻率部內。

類型銫原子鐘氫原子鐘

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，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高，最好的銫原子鐘達到500萬年才相差1秒。國際上，普遍采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。

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，被廣泛用于射電天文觀測、高精度時間計量、火箭和導彈的發射、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制成功。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應用。

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，都已成功的應用于太空、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衛星系統最終采用的就是銫原子鐘。

此外，還可以通過使用激光束來防止銫原子前后高速移動，從而可以減少因多普勒效應而產生的輕微頻率變化。

原理銫原子鐘工作原理

盡管市面上有形形色色的各種原子鐘，但這些原子鐘的原理都是相同的，其主要差別在于使用的元素，以及能級變化時間的檢測方式。

每一個原子都有自己的特征振動頻率。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，一些位于無線電波波段，一些位于可見光波段，而另一些則處在兩者之間。

銫133則被普遍地選用作原子鐘。將銫原子共振子置于原子鐘內，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是采用鎖定晶體振

蕩器到銫原子的主要微波諧振來實現。這一信號處于無線電的微波頻譜范圍內，并恰巧與廣播衛星的發射頻率相似，因此工程師們對制造這一頻譜的儀器十分在行。為了制造原子鐘，銫原子會被加熱至汽化，并通過一個真空管。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，然后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范圍內震蕩，以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產生的微波的頻率范圍已經接近于這一精確頻率。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于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，并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蕩器作微小的修正，并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沖。

工作過程

以下介紹的內容為常見的銫原子鐘的工作過程。

銫原子鐘又被人們形象的稱作“噴泉鐘”，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。左圖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激光（黃線）照射銫原子氣，使之相互靠近而呈球狀，同時激光減慢了原子的運動速度并將其冷卻到接近絕對零度。此時的銫原子氣呈現圓球狀氣體云。

第二階段

兩束垂直的激光輕輕地將這個銫原子氣球向上舉起，形成“噴泉”式的運動，然后關閉所有的激光器。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，并將所吸收的能量全部釋放出來。同時微波部分地改變了銫原子的原子狀態。

第四階段

在微波腔的出口處，另一束激光射向銫原子氣，探測器將對輻射出的熒光的強度進行測量。當在微波腔中發生狀態改變的銫原子與激光束再次發生作用時就會放射出光能。

同時，一個探測器（右）對這一熒光柱進行測量。整個過程被多次重復，直到達到出現最大數目的銫原子熒光柱。這一點定義了用來確定秒的銫原子的天然共振頻率。

上述過程將多次重復進行，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。

成為標準時間

19世紀，海權強國英國把“東西經零度”放在倫敦的格林尼治村，同時規定格林尼治時間為世界標準時間。

不過，格林尼治時間是以太陽經過格林尼治“本初子午線”的一刻為標準。但是，地球公轉的速度略有差異，隔幾年就得調一次時間。1972年，科學家又引進了用原子鐘對時的世界標準時。不過，每隔幾年還是得配合太陽經過“本初子午線”的實際狀況，加上閏秒，以跟上地球公轉的速度。

然而，不知變通的網絡和計算機碰上閏秒常會出狀況。所以，科學家建議今后完全以原子鐘為準，每50年加一次閏分以免計算機弄胡涂了。2012年1月，國際通訊聯盟會議上將決定是否取消用了將近130年的格林尼治標準時間。

稱重原子計時

2013年年初，美國物理學家表示，他們研究出了一種新型的時鐘可以通過稱重原子的方式計時。美國加州大學伯克利分校的物理學家霍爾格-穆勒表示，任何大規模粒子以量子波的形式描述時都是上下振蕩的，即使粒子并沒有移動。原子的質量越重其振蕩的頻率越高，這被稱作康普頓頻率（Compton?frequency）。

依此原理，量子振蕩可以用在記錄時間上。而事實上，原子的康普頓頻率相當之高，高到無法用任何電子計數器測量，美國加利福尼亞大學伯克利分校的博士后研究員藍劭宇（Shau-Yu?Lan）和他的同事采用先進技術構建了一臺基于單個銫原子的原子鐘，這臺設備能夠將這個原子超高的天然頻率拆分成更容易測量的量。

研究人員最終測出了一個銫原子的康普頓頻率，以這個頻率為基礎，研究人員構建了一臺只用到了單個原子的原子鐘。和標準的原子鐘相比，這種新型時鐘能更加精確地記錄時間。

新功能

2013年8月，據《新科學家》報道，世界上最精準的計時器原子鐘又添了一個新功能：科學家可將它用作量子模擬器，來研究磁體內部電子的量子行為，以更深入地了解量子世界的奧秘。相關論文發表在近日出版的《科學》雜志上。

2018年北京12月10日，據美國太空網近日報道，研究人員正在建立一個由迄今最精確的計時器——原子鐘組成的網絡，以“抓捕”暗物質。暗物質是一種看不見的物質，據信約占宇宙所有物質的六分之五。科學家正在通過尋找原子鐘中的干擾來測試暗物質場的存在。研究人員解釋說，其與拓撲缺陷相互作用可能會使原子鐘的原子暫時振動得更快或更慢。通過監視一個同步原子鐘網絡（原子鐘分布得足夠遠，有些會受到拓撲缺陷影響，而其他的不受影響），可以檢測到這些“幽靈”結構的存在并測量它們的大小和速度等。[1]

2019年，一個名為“深空原子鐘”的離子阱原子鐘，由美國宇航局(NASA)發射到近地軌道。“深空原子鐘”預期可使用3-5年，不過，論文作者指出，研究人員已經完成改進工作，可將其使用年限拓展到10年以上。他們認為，對離子阱原子鐘這項技術的后續試驗和開發，將開辟在深空探測單向導航領域的應用。[2]

參考資料