Relojes atómicos

Relojes atómicos

Se pueden construir relojes muy precisos bloqueando un oscilador electrónico a la frecuencia de una transición atómica. Las frecuencias asociadas con tales transiciones son tan reproducibles que la definición del segundo ahora está ligada a la frecuencia asociada con una transición en cesio-133:1 segundo = 9.192, 631.770 ciclos de la transición estándar Cs-133

Los dos relojes atómicos más utilizados en los últimos años han sido el reloj atómico de haz de cesio y el reloj de rubidio . Tales relojes han proporcionado la precisión necesaria para probar la relatividad general y rastrear variaciones en las frecuencias de los púlsares . Los relojes atómicos son partes integrales del Sistema de Posicionamiento Global ya que se necesita una precisión extrema en la sincronización para la triangulación involucrada.

Reloj atómico de cesio

El estándar de tiempo actual para los Estados Unidos es un estándar de frecuencia atómica de cesio en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado. En 1967 se adoptó un segundo estándar basado en la frecuencia de una transición en el átomo de Cs-133:

1 segundo = 9.192, 631.770 ciclos de la transición estándar Cs-133

Antes de 1964, el segundo estándar internacional se había basado en el período orbital de la Tierra, ¡pero se descubrió que el período del reloj de cesio era mucho más estable que la órbita de la Tierra! La unidad de tiempo SI, la segunda, está ahora definida por esta transición en cesio.

Descripción del átomo de cesio

La frecuencia de este reloj atómico está en la región de microondas del espectro electromagnético y es conveniente para bloquear un oscilador de microondas. Los relojes de cesio han demostrado una estabilidad de 2 partes en 10 14 , o un segundo en 1.400.000 años según la fuente del Observatorio Naval que se cita a continuación.

Configure su reloj con él: (303) 499-7111. Las señales horarias basadas en él están disponibles por radio de onda corta (WWV y WWVH).

Referencia:

Observatorio Naval de EE . UU., Relojes de cesio

Descripción del átomo de cesio

Para comprender cuán notable es el átomo de cesio como base del reloj atómico de cesio , es necesario examinar los detalles de la estructura de este átomo. Al tener 55 protones en su núcleo, debe tener 55 electrones en órbita alrededor de ese núcleo para ser un átomo neutro. Los estados de los electrones se describen mediante cuatro números cuánticos , y los del cesio llenan todos los estados de electrones que forman parte del xenón del gas noble (54 electrones) y luego solo hay un electrón adicional fuera de esa distribución simétrica de electrones. Siguiendo el orden de llenadode las capas de electrones, la estructura de xenón llena todos los niveles hasta los electrones 5p. El siguiente nivel de energía disponible es el electrón 6s, por lo que la química del cesio está determinada por ese único electrón 6s.

Es típico que el estado de energía cuántica de dicho electrón de valencia se divida por una estructura fina que surge de la interacción magnética del espín del electrón con el momento angular orbital de los electrones internos. Pero el núcleo interno de los electrones del cesio es perfectamente simétrico y tiene un momento angular cero, por lo que no hay una estructura fina.

Sin embargo, el núcleo de cesio exhibe una influencia magnética asociada con el espín nuclear , que tiene el valor grande 7/2. Aunque es de naturaleza mecánica cuántica, la interacción se puede visualizar como la interacción entre dos imanes, el del núcleo y el del electrón, y hay dos niveles de energía muy próximos para el electrón 6 en función de si los espines nuclear y electrónico son paralelo o antiparalelo. Esta división se denomina "estructura hiperfina". Es este par de niveles de energía precisos y estrechamente espaciados lo que hace posible el mecanismo del reloj de cesio.

Un aspecto notable de la interacción que hace posible el reloj de cesio es la gran separación, relativamente hablando, entre el espín nuclear y el espín del electrón con el que interactúa. El radio nuclear para un núcleo de número de masa A = 133 es 6.1 x 10-15 metros o 6.1 Fermis. En la tabla periódica se puede encontrar que el radio del átomo de cesio donde reside el electrón 6s es de 3.34 x 10-10 metros o 0.334 nm, ¡casi 55,000 veces más grande!

Otra comparación notable es la de los niveles de energía involucrados. El electrón de valencia 6s puede ser expulsado del átomo por un fotón ultravioleta de energía cuántica de 3.9 electronvoltios . En comparación, el par de niveles hiperfinos implicados en el reloj de cesio están separados por solo 0,000038 eV, unas 100.000 veces más pequeños. Esta energía se encuentra en la región de las microondas y es aproximadamente mil veces menor que la energía térmica aleatoria de aproximadamente 0,04 eV asociada con la temperatura de 100 ° C a la que normalmente funciona el reloj de cesio.

Reloj atómico de rubidio

Los dos relojes atómicos más utilizados en los últimos años han sido el reloj de cesio y el reloj de rubidio. Ambos implican el bloqueo de un oscilador electrónico a la transición atómica. El reloj de rubidio ha tenido la ventaja de la portabilidad, logrando una precisión de aproximadamente 1 en 10 ^ 12 en un instrumento transportable. Esto lo ha hecho útil para llevar de un reloj de cesio a otro para sincronizar los relojes.