ساعت‌های اتمی چگونه کار می‌کنند؟

وقتی برق می‌رود و یا باتری ساعتتان را عوض می‌کنید، از کجا می‌فهمید که ساعت چند است تا ساعت خود را دوباره تنظیم کنید؟ زمان برای ما مهم است اما تعیین زمان دقیق در حد دهم یا صدم ثانیه و حتی خیلی کمتر در بعضی مواقع بسیار حیاتی است. در ایالات متحده امریکا، زمان استاندارد، بوسیله ساعت اصلی رصدخانه نیروی دریایی ایالات متحده (USNO) که مرجع رسمی زمان برای وزارت دفاع است، تنظیم می‌شود. همه ما، اثرات این مکانیزم را در ساعت‌های زنگدار، رایانه‌ها، پیام گیرها و برنامه‌ هشدار تقویمی احساس کرده‌ایم. حالا می‌خواهیم همه چیز را در مورد ساعت‌های اتمی و کارکرد آنها بدانیم.

آیا ساعت‌های اتمی، رادیواکتیو هستند؟

ساعت‌های اتمی بهتر از ساعت‌های دیگر، زمان را حفظ می‌کنند. آن‌ها حتی بهتر از حرکت ستاره‌ها و چرخش زمین، زمان را حفظ می‌کنند. بدون ساعت‌های اتمی، رهیابی با GPS غیرممکن خواهد بود. اینترنت انطباق زمانی نخواهد داشت و موقعیت سیارات برای بررسی فضایی و فرود کاوشگرهای تحقیقاتی، با دقت کافی در دسترس نخواهد بود.

ساعت‌های اتمی رادیواکتیو نیستند. این نوع ساعت‌ها به واپاشی اتمی متکی نیستند و مانند ساعت‌های معمولی، یک نوسانگر و یک فنر ارتجاعی هم ندارند.

تفاوت بزرگ بین یک ساعت استاندارد در خانه شما و یک ساعت اتمی این است که نوسان در یک ساعت اتمی بین هسته اتم و الکترون های اطراف آن است. البته با اینکه این نوسان با کارکرد نوسان در سیستم ساعت معمولی برابری نمی‌کند و متفاوت است، اما  با این حال، هر دو نوع ساعت از شمارش نوسان‌ برای تعیین زمان استفاده می‌کنند. فرکانس نوسان درون یک اتم بوسیله «حالت فنری» ناشی از جاذبه الکترواستاتیک بین بار مثبت هسته و ابر الکترونی که آن را احاطه کرده است، تعیین می‌شود.

انواع ساعت‌های اتمی

امروزه انواع مختلفی از ساعت‌های اتمی وجود دارد که اصول اولیه آن‌ها یکی است و تفاوت اصلی در عناصر و تکنیک‌های مورد استفاده است. انواع مختلفی از ساعت‌های اتمی عبارتند از:

ساعت‌های اتمی سزیمی: از یک پرتو از اتم‌های سزیم استفاده می‌کنند. در این ساعت‌ها، اتم‌های سزیم با انرژی‌های مختلف از طریق میدان مغناطیسی از یکدیگر جدا می‌شوند.

ساعت‌های اتمی هیدروژنی: این ساعت‌ها، اتم‌های هیدروژن را در انرژی موردنیاز در محفظه‌ای با دیواره‌هایی ساخته شده از مواد خاصی نگهداری می‌کنند تا اتم‌ها انرژی بالای خود را با سرعت زیاد از دست ندهند.

ساعت‌های اتمی روبیدیمی: جمع و جورترین و ساده ترین ساعت‌های اتمی هستند که از یک سلول شیشه‌ای از گاز روبیدیم استفاده می‌کنند که تغییر در جذب نور در فرکانس نوری روبیدیم وقتی فرکانس میکروموج اطراف مناسب باشد، باعث کارکرد ساعت می‌شود.

امروزه، دقیق ترین ساعت‌های اتمی از اتم سزیم و میدان مغناطیسی معمولی و آشکارسازها استفاده می کنند. علاوه براین، تاثیر پرتوهای لیزر بر اتم‌های سزیم وجود ندارد و تغییرات جزئی در فرکانس به دلیل اثر دوپلر کاهش می یابد.

ساعت‌های اتمی سزیمی چگونه کار می‌کنند؟

نوسان اتم‌ها، فرکانس خاصی دارد. شاید شناخته شده ترین فرکانس، تابش نارنجی رنگ از سدیم موجود در نمک خوراکی است، وقتی که بر روی یک شعله پاشیده شود. یک اتم دارای فرکانس‌های متعددی از طول موج رادیویی تا طیف مرئی است. عنصری که معمولا در ساعت‌های اتمی استفاده می‌شود، سزیم 133 است.

برای تبدیل رزونانس اتمی سزیم به یک ساعت اتمی، لازم است که یکی از فرکانس‌های گذار یا رزونانس آن را به دقت اندازه‌گیری کرد. این کار به طور معمول با هماهنگ کردن نوسان یک نوسانگر کریستال با رزونانس اصلی میکروموج اتم سزیم انجام می‌شود. این سیگنال در محدوده میکروموج طیف رادیویی است و فقط در فرکانس‌هایی مانند سیگنال‌های پخش مستقیم ماهواره‌ای رخ می‌دهد. مهندسان می‌دانند که چگونه تجهیزات را با جزئیات عالی در این محدوده طیفی بسازند.

برای ساخت ساعت، ابتدا سزیم گرم می‌شود تا اتم‌ها برانگیخته شوند و از لوله‌ای با خلا زیاد عبور کنند. اتم‌ها ابتدا از یک میدان مغناطیسی عبور می‌کنند که اتم‌های با انرژی مناسب را جدا می‌کند؛ سپس از یک میدان میکروموج قوی عبور می‌کنند. فرکانس انرژی میکروموج در بازه کوچکی عقب و جلو می‌رود به طوری که در برخی نقاط در هر دور، فرکانس دقیقا 9192631770 هرتز (هرتز یا دور در ثانیه) است. محدوده مولد میکروموج تقریبا نزدیک به این فرکانس دقیق است. انرژی اتم سزیم وقتی که انرژی میکروموج را در این فرکانس مناسب دریافت می‌کند، عوض می‌شود.

در انتهای لوله، یک میدان مغناطیسی دیگر اعمال می‌شود که اتم‌هایی که حالت انرژی آن‌ها تغییر کرده است را جدا می‌کند، اگر میدان میکروموج دقیقا در فرکانس مناسب باشد. آشکارسازی در انتهای لوله قرار دارد که تعداد اتمهای سزیم خروجی را نشان می‌دهد. بنابراین وقتی که فرکانس میکروموج دقیقا درست است، خروجی به اوج می‌رسد. سپس این اوج خروجی برای ایجاد تصحیحات جزئی لازم برای تنظیم شدن نوسانگر کریستال و دقیق شدن میدان میکروموج روی فرکانس درست استفاده می‌شود. تقسیم این فرکانس به 91923631770، یک ثانیه دنیای واقعی را نتیجه می‌دهد. در واقع، یک ثانیه مدت زمانی است که اتم سزیم در حالت پایه انرژی خود، 91923631770 بار نوسان می‌کند.

ساعت‌های اتمی چه زمانی اختراع شدند؟

در سال 1945، پروفسور ایزیدور رابی (Isidor Rabi) استاد فیزیک دانشگاه کلمبیا پیشنهاد کرد که از روشی که او ارائه کرده می‌توان یک ساعت ساخت. این روش به کار رفته در دهه 1930، رزونانس مغناطیسی باریکه اتمی نام داشت. در سال 1949، دفتر ملی استاندارد (NBS) یعنی مؤسسه ملی استاندارد اعلام کرد که اولین ساعت اتمی جهان را که از ارتعاش آمونیاک استفاده می‌کند ساخته است. و در سال 1952 خبر از ساخت اولین ساعت اتمی با استفاده از اتم سزیم داد.

در سال 1955، در آزمایشگاه ملی فیزیک در انگلستان، ساعت اتمی سزیمی ساخته شد. اما طی سال‌ها، شکل‌های پیشرفته تری از ساعت‌های اتمی تولید شده است. در سال 1967، در سیزدهمین کنفرانس اوزان و مقیاس‌ها، مرجع اندازه گیری ثانیه را ارتعاش اتم سزیم تعریف کردند. بنابراین از آن زمان به بعد، سیستم زمان جهانی، دیگر بر اساس پدیده های نجومی تعیین نمی‌شد. پایدارترین ساعت سزیمی در جهان، NBS-4 بود که در سال 1968 کامل شد و تا دهه 1990 به عنوان بخشی از سیستم زمانی NIST‌ مورد استفاده قرار گرفت.

در سال 1999، ساعت NIST-F1 شروع به کار کرد، با دقتی حدود یک ثانیه در 20 میلیون سال که دقیق ترین ساعت ساخته شده تا زمان خودش بود.

زمان اتمی چگونه اندازه گیری می‌شود؟

فرکانس صحیح برای رزونانس سزیم ویژه در حال حاضر طی توافقنامه بین المللی، 9،192،631،770 هرتز تعریف می شود یعنی دقیقا 1 هرتز یا 1 سیکل در ثانیه است.

دقت دراز مدت قابل دستیابی توسط ساعت‌های اتمی سزیمی مدرن (رایج ترین نوع) بهتر از یک ثانیه در یک میلیون سال است. ساعت‌های اتمی هیدروژنی، دقت کوتاه مدت (یک هفته) بهتری را نشان می‌دهند، تقریبا 10 برابر دقت ساعت‌های اتمی سزیم. بنابراین، ساعت‌های اتمی دقت اندازه گیری زمان را حدود یک میلیون برابر در مقایسه با اندازه گیری‌های انجام شده با استفاده از تکنیک‌های نجومی، افزایش داده‌اند.

شرکت ملی در ماساچوست، نخستین ساعت‌های اتمی تجاری را با استفاده از سزیم تولید کرد. امروزه ساعت‌های اتمی، بوسیله تولید کنندگان مختلف از جمله Hewlett Packard، Frequency Electronics و FTS تولید می‌شوند. تکنولوژی جدید همچنان به بهبود عملکرد خود ادامه می‌دهد. دقیق ترین ساعت اتمی سزیمی که در آزمایشگاه ساخته شده، هزار برابر بهتر از ساعت‌های اتمی تجاری است.