原子钟-定义.PDF

原子钟-定义 原子钟，它最初本是由物理学家创造出 来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过 这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航 系统上。 根据量子物理学的基本原理，原 子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就 是围绕在原子核周围不同电子层的能量差， 来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是 不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至 低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这 种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人 们所说的共振频率。同一种原子的共振频率 原子钟 是一定的—例如铯 133的共振频率为每秒 9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍 器来保持高度精确的时间。30 年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原 子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了 有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术， 他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了 1944 年诺贝尔奖。同年，他还首先 提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如 此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁” 的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细 微能量差别的状态之间的跃迁。在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束 穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收 的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能 够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原 子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。人们日常生活需要知道准确的时 间，生产、科研上更是如此。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有 1 分钟的误差， 这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前 世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是 20世纪 50 年代出现的。原子钟是利用原子吸收 或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的 仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hactare)、 铯(Seterium))、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每 100 万年才误差 1 秒。这为天文、 航海、宇宙航行提供了强有力的保障。 原子钟-人类原子钟的发现史 直到本世纪 20 年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的 时钟是基于石英晶体有 规则振动而制造的，这种时钟的误差 每天不大于千分之一秒。即使如此精 确，但它仍不能满足科学家们研究爱 因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦 的理论，在引力场内，空间和时间都 会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的 一个时钟，比海平面处完全相同的一 个时钟平均每天快三千万分之一秒。 所以精确测定时间的唯一办法只能是 通过原子本身的微小振动来控制计时 钟。NIST F-1 原子钟，它由 170 个元