Thursday, November 3, 2011

Aatomkellad


Aatomkellasid saab ehitada pannes ostsillaatori sageduseks aatomi ergastuse sageduse. Kuna aatomi tekitatud sagedused on väga järjepidevad, siis on alates 1967. aastast olnud 1 sekund tseesium aatomkella järgi defineeritud seosega 1 sekund= 9,192, 631,770 tseesium-133 ergastuse tsüklit.  
Teine levinum element aatomkellades on rubiidium, millest tehtud kellad on kergemini transporditavad ning neid kasutatakse tseesiumkellade sünkroonseks saamiseks.

 Tseesiumi ergastusastme energia on piisav ~3,26 cm lainepikkusega mikrolaine footoni loomiseks, mille sagedus on võrdne sekundi definitsioonis oleva ergastustsüklite arvuga.

See nõrk ergastus tekib teiste hyperfine structure tüüpi pisikeste erinevustega energias kui tuuma spinni avaldab mõju elektronile. Selle energia on 100 000 korda vähem kui läheks vaja elektroni eemalduseks ning ~1000 korda vähem 100 C soojusenergiast.
Tseesium on ühe prootoni ja elektroni võrra massiivsem väärisgaas ksenoonist, mille väline elektronkiht on sarnaselt teiste väärisgaasidega maksimaalse elektronide hulgaga. Tseesiumi elektronkihid kattuvad muidu ksenooniga kuid lisandub 1 vabam elektron. 
Aatomi spektrijoontes võib paista lähestikke spektrijooni (fine structure), mis tekivad kuna välist elektrooni mõjutatakse sisemiste elektronide magnetvälja poolt. Kuna tseesiumis on kõik kihid täis peale üksiku elektroni oma, siis on 54'l siseelektronil paariline olemas. Paarilistega elektronid ei ole oluliselt magneetilised (pigem magnetismi vältivalt diamagneetilised) ning ainsaks magneetiliseks mõjutajaks jääb tseesiumis tuuma prootoni spinn mis tekitab madalama sagedusega EM kiirgust.
Teine levinum element rubiidium asub perioodilisustabelis tseesiumi kohal ja on samuti väärisgaasist prootoni ja elektroni võrra massiivsem.
Tseesiumi-133 tuuma spinn on 7/2, mis on suhteliselt suur ning see on omane elementidele, kus on kokku paaritu arv prootoneid ja neutroneid. Aatomkella rubiidiumi isotoobil on kokku 87 prootonit ja neutronit.  


Veidi purskkaevu laadse tööviisiga tseesiumi NIST-F1 kellal paistab suurem täpsus, mis eksib sekundi võrra ~20 miljoni aastaga.
Selle vaakumruumi lisatakse tseesiumi aatomid, mis langevad alla 6 infrapuna laseri juurde, mis on omavahel ristuva kiirega. Laserid lükkavad tseesiumi kokku keraks ja võivad seda liigutada. Laseriga hoitakse neid anuma seintest eraldatuna kuni aatomid jahtuvad absoluutse nulli lähedale. Seejärel tõukavad vertikaalsed laserid tseesiumi umbes meetri jagu üles ning laserid lülitatakse välja. Tseesium langeb alla (umbes sekundiga läbitakse üles-alla trajektoor) ja läbib mikrolaine sagedusel õõnsuse. Mõnele aatomile avaldavad mikrolained mõju. Seejärel liiguvad aatomid läbi detektori juures oleva laseri, mis tekitab footonite teket mikrolainete poolt mõjutatud aatomitest. Pärast paljude mikrolaine sageduste läbiproovimist leiti sagedus, mis avaldas kõige rohkem mõju tseesiumile. See kõige rohkem mõju avaldanud mikrolaine sagedus on tseesiumi resonantssagedus, mis on sekundi definitsiooniks pandud.  
Sellele eelnenud aatomkellades soojendati tseesiumi ahjus ja lasti lennata horisontaalselt läbi mikrolainete allika kuid puudusena oli osakestel vähem aega mikrolainetega kokku puutumiseks ning see raskendas tseesiumi loomuliku sageduse leidmist.


No comments:

Post a Comment