Mediante el sincronismo con un oscilador electrónico a su frecuencia de transición atómica, se pueden construir relojes muy precisos. Las frecuencias asociadas con estas transiciones son tan reproducibles, que la definición del segundo está ahora ligada, a la frecuencia asociada a una transición atómica en el cesio-133:

1 segundo = 9.192.631.770 ciclos de transiciones estándares del Cs-133.

Los relojes atómicos mas ampliamente usado en los últimos años ha 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 calcular las variaciones en las frecuencias de los púlsares. Los relojes atómicos forman parte integral de los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS), ya que su extremada precisión, es necesaria para la triangulación involucrada.

Reloj Atómico de Cesio

El estándar de tiempo actual para los Estados Unidos, se corresponde con la frecuencia atómica del cesio en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado. En 1967 fue adoptado el segundo estándar, sobre la base de la frecuencia de una transición en el átomo de Cs-133:

1 segundo = 9.192.631.770 ciclos de transiciones estándares del Cs-133.

Antes de 1964, el segundo estándar internacional, se basaba en el período orbital de la Tierra, pero se encontró con que ¡el período de reloj de cesio, era mucho más estable que la órbita de la Tierra! La unidad SI de tiempo, el segundo, se define ahora por esta transición del cesio.

Descripción del Átomo de Cesio

La frecuencia de este reloj atómico está en la región de microondas, la cual es adecuada para el bloqueo de un oscilador de microondas. Los relojes de cesio han demostrado una estabilidad a 2 partes en 10¹⁴, o un segundo en 1.400.000 años, de acuerdo con la fuente del Observatorio Naval citada abajo.

Para sincronizar el reloj con él: (303) 499-7111 . Las señales de tiempo basadas en él, están disponibles en forma de ondas de radio corta (WWV y WWVH).

Descripción del Átomo de Cesio

Para entender cuan notable es el átomo de cesio como base para el reloj atómico de cesio, es necesario examinar los detalles de la estructura de este átomo. Teniendo 55 protones en su núcleo, debe tener 55 electrones en órbitas alrededor de ese núcleo, para ser un átomo neutro. Los estados electrónicos son descritos por cuatro números cuánticos, y los del cesio llenan todos los estados electrónicos que son parte del gas noble xenón (54 electrones), y luego sólo hay un electrón adicional fuera de la distribución simétrica de electrones. Siguiendo el orden de llenado de las capas de electrones, la estructura del xenón llena todos los niveles hacia arriba, hasta los electrones 5p. El siguiente nivel de energía disponible es el electrón 6s, por lo que la química del cesio está determinada por el electrón solitario 6s.

Es típico para el estado de energía cuántica de tal electrón de valencia, que sea dividido por la estructura fina que surge de la interacción magnética del espín electrónico con el momento angular orbital de los electrones interiores. Sin embargo, el núcleo interior de los electrones de cesio es perfectamente simétrico y tiene momento angular cero, así que no hay estructura fina.

Sin embargo, el núcleo de cesio exhibe una influencia magnética asociada con el espín nuclear, que tiene el valor grande 7/2. En la mecánica cuántica en la naturaleza, la interacción puede ser visualizada como la interacción entre dos imanes -el del núcleo y el del electrón-, y hay dos niveles de energía del electrón 6s muy estrechamente espaciados, basándose en si los espines nucleares y electrónicos están paralelo o antiparalelos. Esta división se llama "estructura hiperfina". Es este par de niveles de energíaa precisas y poco espaciadas, lo que hace posible el mecanismo de reloj de cesio.

Un aspecto notable de la interacción que hace posible el reloj de cesio, es la vasta separación, relativamente hablando, entre el espín nuclear y el espín electrónico con el que interactúa. El radio nuclear de un núcleo de número másico A=133 es 6,1 x 10^-15 metros o 6,1 Fermis. El radio del átomo de cesio donde reside el electrón 6s, se puede encontrar en la tabla periódica que es 3,34 x 10^-10 metros o 0,334 nm, ¡casi 55.000 veces mas grande!

Otra comparación notable es la de los niveles de energías implicados. El electrón de valencia 6s puede ser expulsado del átomo, por un fotón ultravioleta de energía cuántica 3,9 electron voltios. En comparación, el par de niveles hiperfinos involucrados en el reloj de cesio están separados por sólo 0,000038 eV, aproximadamente 100.000 veces más pequeño. Esta energía se encuentra en la región de las microondas y es sobre un millar de veces más pequeña que la energía térmica aleatoria, de unos 0,04 eV asociada con la temperatura de 100ºC, a la que opera típicamente el reloj de cesio.