原子時計の仕組み

原子時計は放射性物質ですか?

原子時計は他のどの時計よりも正確に時間を刻みます。地球の自転や星の動きよりも正確に時を刻むことができます。原子時計がなければ、 GPSナビゲーションは不可能であり、インターネットは同期せず、宇宙探査機や着陸船を打ち上げて監視するのに十分な精度で惑星の位置を知ることはできません。

原子時計は放射性ではありません。それらは原子崩壊に依存しません。むしろ、通常の時計と同じように、振動する質量とバネが備わっています。

家庭にある標準的な時計と原子時計の大きな違いは、原子時計の振動は原子核と周囲の電子の間で行われることです。この振動は、ゼンマイ式時計のテンプとヒゲゼンマイと正確に一致しているわけではありませんが、事実として、どちらも振動を利用して時間の経過を追跡しています。原子内の振動周波数は、原子核の質量と重力、原子核上の正電荷と原子核を取り囲む電子雲の間の静電「バネ」によって決まります。

原子時計の種類は何ですか?

現在、原子時計にはさまざまな種類がありますが、その背後にある原理はすべて同じです。主な違いは、使用される元素と、エネルギー レベルの変化を検出する手段に関連しています。さまざまな種類の原子時計には次のようなものがあります。

現在利用可能な最も正確な原子時計は、セシウム原子と通常の磁場および検出器を使用します。さらに、セシウム原子がレーザー光線によって前後に飛び回るのが阻止され、ドップラー効果による周波数の小さな変化が減少します。

実用的なセシウム原子時計はどのように機能するのでしょうか?

原子には特有の振動周波数があります。おそらく最もよく知られている周波数は、食卓塩に含まれるナトリウムを炎に振りかけるとオレンジ色に光る現象です。原子には多くの周波数があり、一部は電波波長、一部は可視スペクトル、一部はその中間の周波数になります。セシウム 133 は、原子時計に最も一般的に選ばれる元素です。

セシウム原子の共鳴を原子時計にするには、その遷移周波数または共鳴周波数のいずれかを正確に測定する必要があります。これは通常、水晶発振器をセシウム原子の主なマイクロ波共鳴にロックすることによって行われます。この信号は無線スペクトルのマイクロ波範囲内にあり、たまたま直接放送衛星信号と同じ種類の周波数にあります。エンジニアは、この分野の機器を構築する方法を詳細に理解しています。

時計を作るには、まずセシウムを加熱して原子を沸騰させ、高真空に保たれた管の中を通過させます。まず、それらは正しいエネルギー状態の原子を選択する磁場を通過します。その後、強力なマイクロ波場を通過します。マイクロ波エネルギーの周波数は、狭い周波数範囲内で前後にスイープするため、各サイクルのある時点で、正確に9,192,631,770 ヘルツ(Hz、または 1 秒あたりのサイクル数) の周波数と交差します。マイクロ波発生器の範囲は、正確な水晶発振器から供給されるため、すでにこの正確な周波数に近くなります。セシウム原子が正確に正しい周波数でマイクロ波エネルギーを受け取ると、そのエネルギー状態が変化します。

マイクロ波場が正確に正しい周波数であれば、チューブの遠端では、別の磁場がエネルギー状態を変化させた原子を分離します。管の端にある検出器は、衝突したセシウム原子の数に比例した出力を与えるため、マイクロ波の周波数が正確に正しい場合に出力がピークになります。このピークは、水晶発振器、したがってマイクロ波場を正確な周波数にするために必要なわずかな補正を行うために使用されます。このロックされた周波数は 9,192,631,770 で除算され、現実の世界で必要とされる1 秒あたり 1 パルスが得られます。

原子時計はいつ発明されましたか?

1945 年、コロンビア大学の物理学教授イシドール・ラビは、1930 年代に開発した原子ビーム磁気共鳴と呼ばれる技術で時計を作ることができると示唆しました。 1949 年までに国家標準局 (NBS、現在の NIST) はアンモニア分子を振動源として使用した世界初の原子時計を発表し、1952 年までに振動源としてセシウム原子を使用した最初の原子時計、 NBS を発表しました。 -1 。

1955 年、英国の国立物理研究所は、校正源として使用される最初のセシウム ビーム時計を製造しました。次の 10 年間で、より高度な形式の時計が作成されました。 1967 年、第 13 回度量衡総会は、セシウム原子の振動に基づいて SI 秒を定義しました。その時点で、世界の時間管理システムにはもはや天文学的な根拠はありませんでした。世界で最も安定したセシウム時計であるNBS-4 は1968 年に完成し、NIST 時刻システムの一部として 1990 年代まで使用されました。

1999 年、 NIST-F1 は10 の 15 乗の 1.7 の不確かさ、つまり 2,000 万年で約 1 秒の精度で運用を開始し、これまでに作られた時計の中で最も正確な時計となりました (パリの同様の基準と同様の特徴を備えています) ）。

原子時間はどのように測定されるのでしょうか?

特定のセシウム共鳴の正しい周波数は現在、国際協定により9,192,631,770 Hzと定義されており、この数値で割ると出力は正確に1 Hz 、つまり 1 秒あたり 1 サイクルになります。

最新のセシウム原子時計 (最も一般的なタイプ) によって達成可能な長期精度は、100 万年あたり 1 秒よりも優れています。水素原子時計は、短期 (1 週間) の精度が高く、セシウム原子時計の約 10 倍の精度を示します。したがって、原子時計は、天文技術による時間測定と比較して、時間測定の精度を約100万倍向上させました。

マサチューセッツ州のナショナル会社は、セシウムを使用して最初の商用原子時計を製造しました。現在、Hewlett Packard、Frequency Electronics、FTS などのさまざまなメーカーによって製造されています。新しいテクノロジーによりパフォーマンスが向上し続けています。最も正確な実験室用セシウム原子時計は、商業的に生産された装置よりも数千倍優れています。