Атомний годинник
А́томний годи́нник, ква́нтовий годи́нник — пристрій для вимірювання часу, що як стандарт використовує частоту електронного переходу між енергетичними рівнями (підрівнями) в атомах.
Зміст
Принцип дії атомного годинника
В атомному годиннику застосовують атоми, енергетичні рівні яких мають надтонку структуру, що зумовлена розщепленням спектральних мультиплетів у магнітному полі ядра (Зеємана ефект).
Конфігурація магнітного поля ядра та локальне значення індукції цього поля однакові для кожного з атомів одного сорту, тому може бути використане в якості стандарту. Для цього газ із атомів одного сорту розміщують в резонатор електромагнітних коливань, частота якого збігається із частотою переходу між розщепленими енергетичними рівнями в надтонкій структурі. Детектування оптичних переходів між підрівнями відбувається з використанням інтерферометрів із високою роздільною здатністю.
З 2004 робочу речовину прецизійних атомних годинників спочатку охолоджують до абсолютного нуля температури, сповільнюючи їхній тепловий рух за допомогою лазерів і розміщуючи їх в атомних фонтанах у геометрично квазістаціонарній порожнині, заповненій мікрохвильовим випромінюванням. Прикладом такого принципу роботи атомного годинника є годинник NIST-F1, один із національних первинних стандартів часу і частоти США.
Коротка історія реалізації ідеї атомного годинника
Ідею про можливість використання коливань атома водню для вимірювання часу запропонував 1879 фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін, 1824–1907; Велика Британія).
У 1930-х фізик Ісидор Айзек Рабі почав працювати над робочою концепцією атомного годинника, робочою речовиною якого був цезій-133. 1949 у Національному комітеті стандартів США створено перший молекулярний годинник, робочою речовиною якого були молекули аміаку.
1955 Луї Ессен (1908–1997; Велика Британія) із Національної фізичної лабораторії у Великій Британії представив перший атомний годинник на цезії-133. Точність його ходу давала похибку в одну секунду за мільйон років. Прилад назвали NBS-1 і став вважати цезієвим еталоном частоти, пізніше — й еталоном одиниці часу Міжнародної системи одиниць СІ.
«Hewlett-Packard» стала першою компанією, що зайнялася розробленням компактних (наручних) атомних годинників.
У березні 2012 вчені США з Університету Нового Південного Вельсу, Технологічного інституту Джорджії й Університету Невади запропонували концепцію атомного годинника, теоретична точність ходу якого дає похибку близько однієї секунди за 14 мільярдів років.
Атомний годинник як еталон одиниці часу
За рішенням XII Генеральної конференції мір і ваг (1967) одиниця TAI — 1 атомна секунда (секунда Міжнародної системи одиниць СІ) — дорівнює тривалості 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133 на рівні геоїда, який обертається. 1997 Міжнародний комітет мір і ваг додав, що попереднє визначення відноситься до атому цезію в стані спокою при абсолютному нулю температури.
Уточнення в означенні атомної секунди відносно рівня геоїда, який обертається, обумовлене ефектами, передбаченими теорією загальною відносності про сповільнення темпу часу в присутності гравітуючих мас. Без цього уточнення інтегрована шкала часу атомного TAI зазнавала б впливу різної напруженості поля гравітаційного в пунктах розташування атомних годинників, які формують шкалу (атомний репер часу).
З метою усунення різного впливу гравітаційного поля Землі на хід атомного годинника, починаючи з юліанської епохи 2443144.5 (01.01.1977, 00:00:00) введені поправки до показів атомних реперів часу так, щоб розмір атомної секунди СІ був би приведений до рівня геоїда.
03.04.2014 Національний інститут стандартів та технологій (США) увів у дію новий атомний годинник NIST-F2, який накопичує помилку в одну секунду протягом 300 мільйонів років. Новий годинник використовують як стандарт цивільного часу в США. Міжнародне бюро мір і ваг визнало NIST-F2 найточнішим працюючим атомним годинником із відносною похибкою 1,7×10-16.
Література
- Essen L., Parry J. An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Cæsium Resonator // Nature. 1955. Vol. 176. № 4476. P. 280–282.
- Jefferts S. R., Heavner T. P., Parker T. E.et al. NIST Cesium Fountains — Current Status and Future Prospects // Acta Physica Polonica A. 2007. Vol. 112. № 5. P. 759–767. URL: http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/PDF/112/a112z506.pdf
- Li R., Gibble K., Szymaniec Kr. Improvedaccuracy of the NPL-CsF2 Primary Frequency Standard: Evaluation of Distributed Cavityphase and Microwavelensing Frequencyshifts // Metrologia. 2011. Vol. 48. № 5. P. 283–289.
- Hinkley N., Sherman J., Phillips N. et al. Аn Atomic Clockwith 10-18 Instability // Science. 2013. Vol. 341. № 6151. P. 1215–1218.
- Heavner T., Donley E., Levi F. et al. Firstaccuracy Evaluation of NIST-F2 // Metrologia. 2014. № 51. P. 174–182.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Шевчук О. Г. Атомний годинник // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Атомний годинник (дата звернення: 30.04.2024).
Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 28.05.2021
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
Національна поліція України
