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为什么原子钟的精度能高达两千万年才误差一秒?

2017-02-23 12:42:43

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怪罗科普

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钟表最明显的作用就是记录时间,所有的钟表都是通过计数“谐振器”的“刻度”来做到这一点的。在摆钟中,谐振器是钟摆,并且时钟中的齿轮通过计数钟摆的谐振(来回摆动)来跟踪时间。摆锤通常以每秒一次的摆动频率共...

为什么原子钟的精度能高达两千万年才误差一秒?

钟表最明显的作用就是记录时间,所有的钟表都是通过计数“谐振器”的“刻度”来做到这一点的。

在摆钟中,谐振器是钟摆,并且时钟中的齿轮通过计数钟摆的谐振(来回摆动)来跟踪时间。摆锤通常以每秒一次的摆动频率共振,时钟的精度由谐振器在指定频率的精度决定,精度最高的也只有每年一分钟左右的误差。原子钟是使用原子的谐振频率作为其谐振器的时钟,其精度高达两千万年才误差一秒。基本上,原子在吸收或发射能量时会出现共振或“振动”。

原子由原子核与外层电子组成,原子核带正电,带负电的电子绕着原子核运动。元素中的电子都处于不同的能级,即它们与原子核的距离不同。但是在每个元素中,电子只能处于一个特定的能级或“轨道”。

为什么原子钟的精度能高达两千万年才误差一秒?

当电子吸收能量时,它们会跃迁到更高的能量状态(将其看成是远离原子核)。当电子释放能量时,它们会跃迁到较低能量状态(将其看成是接近原子核),损失的能量作为电磁辐射(微波、光波等)被释放出来。能量状态之间的这种跃迁就是原子钟要测量的“振荡”。

这种方法的优点是原子以非常一致的频率谐振。原子钟使用铯,每个铯原子都会以完全相同的频率共振,铯-133每秒振荡9192631770周期。这种精度与其他类型的时钟完全不同,因为它不受像温度这样的环境问题的影响——这就是原子钟如此精确的原因。

所以用铯我们的时钟可以精确到1/9192631770秒!

为什么原子钟的精度能高达两千万年才误差一秒?

如何制造铯原子钟?

为了制造原子钟,首先加热铯,使得原子沸腾,沿着保持高真空的管道传送。首先,它们通过一个磁场,能筛选出处于合适能量状态的原子。然后,它们通过一个很强的微波场。微波能量的频率在一个较小频率范围内向后和向前扫描,使得在每个周期中的某一点,穿过恰好9192631770赫兹的频率。微波发生器的范围已经接近这个精确的频率,因为它来自一个精确的晶体振荡器。当铯原子接收了频率完全精确的微波能量时,它将改变其能量状态。

在管道的远端,另个一磁场把已改变能量状态的原子分离出来,前提是该微波场处于完全精确的频率。管道端部的探测器检测出与其撞击的铯原子数比例,因此当微波频率完全精确时,结果达到峰值。然后,用该峰值进行必要的微小校正,以使晶体振荡器和微波场在频率上达到准确。最后将该锁定频率除以9192631770,就得到现实中所需的每秒一个脉冲。

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