Как работают атомные часы (5 фото). Атомные часы

Часто мы слышим фразу, что атомные часы всегда показывают точное время. Но из их названия сложно понять, почему атомные часы самые точные или как они устроены.

То, что в названии есть слово «атомные» вовсе не означает, что часы представляют собой опасность для жизни, даже если в голову сразу же приходят мысли об атомной бомбе или атомной электростанции. В данном случае мы всего лишь говорим о принципе работы часов. Если в обычных механических часах колебательные движения совершают шестеренки и ведется подсчет их движений, то в атомных часах ведется подсчет колебаний электронов внутри атомов. Чтобы лучше понять принцип работы, вспомним физику элементарных частиц.

Все вещества в нашем мире состоят из атомов. Атомы же состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны объединяются друг с другом в ядро, которое также называют нуклоном. Вокруг ядра движутся электроны, которые могут находиться на разных энергетических уровнях. Самое интересное, что при поглощении или отдаче энергии, электрон может переходить со своего энергетического уровня на более высокий или низкий. Электрон может получать энергию из электромагнитного излучения, при каждом переходе поглощая или испуская электромагнитное излучение определенной частоты.

Чаще всего встречаются часы, в которых для изменения используют атомы элемента Цезий -133. Если за 1 секунду маятник обычных часов совершает 1 колебательное движение, то электроны в атомных часах на основе Цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9192631770 Гц. Получается, именно на такое количество промежутков делится одна секунда, если её рассчитывать в атомных часах. Эта величина была официально принята международным сообществом в 1967 году. Представьте огромный циферблат, где находится не 60, а 9192631770 делений, которые составляют всего 1 секунду. Неудивительно, что атомные часы такие точные и обладают целым рядом преимуществ: атомы не подвержены старению, не изнашиваются, а частота колебания будет всегда одинаковой для одного химического элемента, благодаря чему можно синхронно сравнивать, например, показания атомных часов далеко в космосе и на Земле, не боясь погрешностей.

Благодаря атомным часам человечество на практике смогло проверить правильность теории относительности и удостовериться, что , чем на Земле. Атомные часы установлены на многих спутниках и космических аппаратах, они используются для телекоммуникационных нужд, для мобильной связи, по ним сравнивают точное время на всей планете. Без преувеличения, именно благодаря изобретению атомных часов человечество смогло войти в эпоху высоких технологий.

Как работают атомные часы?

Цезий-133 нагревают, выпаривая атомы цезия, которые проходит через магнитное поле, где отбираются атомы с нужным энергетическим состояниям.

Затем отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к 9192631770 Гц, которое создает кварцевый генератор. Под воздействием поля атомы цезия снова меняют энергетические состояния, и попадают на детектор, который фиксирует, когда наибольшее количество попадающих атомов будет обладать «правильным» энергетическим состоянием. Максимальное количество атомов с измененным энергетическим состоянием говорит о том, что частота микроволнового поля подобрана верно, и затем её значение подается в электронное устройство – делитель частоты, который, уменьшая частоту в целое число раз, получает число 1, которое и является эталонной секундой.

Таким образом, атомы цезия используются для проверки правильности частоты магнитного поля, создаваемой кварцевым генератором, помогая поддерживать ее в постоянном значении.

Это интересно: хотя существующие на сегодняшний момент атомные часы беспрецедентно точно и могут миллионы лет идти без погрешностей, физики не собираются останавливаться на достигнутом. Используя атомы различных химических элементов, они постоянно работают над повышением точности атомных часов. Из последних изобретений – атомные часы на стронции , которые в три раза точнее их цезиевого аналога. Чтобы отстать всего на секунду им потребуется 15 млрд. лет – время, превышающее возраст нашей Вселенной…

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени , которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

Устройство часов

Часы состоят из нескольких частей:

• квантовый дискриминатор,
• комплекс электроники.

Национальные центры стандартов частоты

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты :

• (ВНИИФТРИ), п. Менделеево Московской области;
• (NIST), Боулдер (США , Колорадо);
• Национальный институт передовой промышленной науки и технологии () (AIST), Токио (Япония);
• Федеральное физико-техническое агентство (нем. ) (PTB), Брауншвейг (Германия);
• Национальная лаборатория метрологии и испытаний (фр. ) (LNE), Париж (Франция).
• Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Лондон , Великобритания .

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в .

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция , рубидия , цезия , стронция , молекулы водорода , йода , метана , оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ. ) - излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна , в котором происходит уширение спектра до одной октавы .

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist ) разработали часы, действующие на одном атоме . При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США . Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой - использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства) . В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность - 5 · 10 -11 за час, масса - 35 г, потребляемая мощность - 115 мВт .

Примечания

1. Поставлен новый рекорд точности атомных часов (неопр.) . Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
2. Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. - М. : Радио и связь, 1984. - С. 121, 122. - 232 с. - 27 000 экз. )
3. Н. Г. Басов , В. С. Летохов . Оптические стандарты частоты. // УФН. - 1968. - Т. 96 , № 12 .
4. National metrology laboratories (англ.) . NIST, 3 февраля 2011 г. (Проверено 14 июня 2011)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - American Physical Society, 4 июля 2006. - Vol. 97, no. 2 . -

Вы когда-нибудь замечали, что ваши часы в доме показывают разное время? И как понять, какое из всех вариантов правильное? Ответы на все эти вопросы мы узнаем, досконально изучив принцип работы атомных часов.

Атомные часы: описание и принцип работы

Давайте сначала разберемся, что же собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы — это такой прибор, с помощью которого происходит измерение времени, но в нем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, а также все происходит на атомном и молекулярном уровне. Отсюда такая точность.

Можно с уверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря им в мире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет в солнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся те или иные изменения.

Кто изобрел, кто создал, а также кто придумал эти чудо-часы?

Еще в начале сороковых годов ХХ столетия было известно об атомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак не касалось часов — это была только теория. Но уже в 1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла в том, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Но они были устроены так, что показывали не точные результаты. И вот уже в 1949 году National Bureau of Standards оповестило весь мир о создании первых атомных часов, в основу которых легли молекулярные соединения аммиака, а уже в 1952 году были освоены технологии для создания прототипа на основе атомов цезия.

Услышав об атомах аммиака и цезия, возникает вопрос, а не радиоактивны ли эти чудесные часы? Ответ однозначный — нет! В них отсутствует атомный распад.

В наше время есть множество материалов, из которых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий и даже серебро.

Как работает прибор?

Давайте же разберемся, как выглядят и как работают часы на атомнойэнергии. Для этого предлагаем описание их работы:

Для правильного функионирования именно этих часов необходим не маятник, а также не кварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. В результате мы имеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мы получаем частые колебания и сверхвысокий уровень стабильности работы системы. Ежегодно за счет новых открытий происходят модернизации процессов. Не так давно специалистыThe NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST)стали рекордсменами, установив абсолютный мировой рекорд. Они смогли довести точность работы атомных часов (в основе был стронций) до самого минимального отклонения, а именно: за 15 млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам не показалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей с вами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль в этом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция в его пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как и всегда в науке, на теории все кажется фееричным и уже усовершенствованным, но нестабильность такой системы может оказаться менее радостной на практике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор на цезии.

Теперь рассмотрим, из чего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:

• квантовый дискриминатор;
• генератор из кварца;
• электроника.

Генератор из кварца — это подобие автогенератора, но для произведения резонансного элемента, в нем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.

Имея квантовый дискриминатор и кварцевый осциллятор, под воздействием их частоты происходит их сравнение и при выявлении разницы, схема обратной связи требует от кварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение и повышать стабильность и точность. В результате на выходе мы видим на циферблате точное значение, а значит, точное время.

Ранние модели имели довольно большие размеры, однако в октябре 2013 года компания "BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, но вскоре выяснилось, что это действительно правда, и они функционируют на основе атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится в виде газа в специальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось по всему миру.

Многих в теме атомных часов интересует вопрос источника питания. В качестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Но увы, пока неизвестно, на сколько хватит такого аккумулятора.

Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, к сожалению, он не имел атомного источника питания, а всего на всего выполнял синхронизацию с реальными габаритными часами по беспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть и о стоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в 12 тыс. долларов США. Было понятно, что с такой ценой часы не обретут широкой популярности, но компания к этому и не стремилась, ведь выпустила их очень ограниченной партией.

Нам известны несколько типов атомных часов. В их конструкции и принципах нет существенных отличий, но все же некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются в средствах нахождения изменений и их элементов. Можно выделить следующие типы часов:

1. Водородные. Их суть заключается в том, что идет поддержка атомов водорода на нужном уровне энергетики, а вот стены сделаны из специального материала. Исходя из этого, делаем вывод, что именно водородные атомы очень быстро теряют свое энергетическое состояние.
2. Цезиевые. Основой для них являются пучки цезия. Стоит отметить, что именно эти часы являются самыми точными.
3. Рубидиевые. Они являются самыми простыми и очень компактными.

Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff № 10 — яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного и очень точного аксессуара составляет 78 тыс. долларов. Было выпущено всего 12 экземпляров. В механизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.

На этом компания не остановилась и именно в своей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма в золотой корпус, который будет напечатан на популярном 3D-принтере. Точно еще не рассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, но зато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра — она составила около 50 тыс. фунтов стерлингов. И это еще не окончательная цена, хотя в ней учтены все объемы исследований, а также новизна и уникальность самого гаджета.

Исторические факты об использовании часов

Как же рассказывая об атомных часах, не упомянуть о самых интересных фактах, которые связаны с ними и временем в целом:

1. Вы знали, что в древнем Египте были найдены самые старые солнечные часы?
2. Погрешность атомных часов минимальна — она составляет всего 1 секунду на 6 миллионов лет.
3. Все знают, что в минуте — 60 секунд. Но мало кто вникал в то, сколько же миллисекунд в одной секунде? А их не много и не мало — тысяча!
4. Каждый турист, который смог побывать в Лондоне, обязательно стремился увидеть своими глазами Биг Бен. Но к сожалению, не многие знают, что Биг Бен — совсем не башня, а название огромного колокола, который весит 13 тонн и звонит внутри башни.
5. Вы никогда не задумывались, почему стрелки наших с вами часов идут именно слева направо или как мы привыкли говорить «по часовой стрелке»? Этот факт напрямую связан с тем, как движется тень на солнечных часах.
6. Самые первые наручные часы были придуманы в недалеком 1812 году. Их изготовил основатель фирмы Breguet для Неополитанской королевы.
7. До Первой Мировой войны, наручные часы считались только женским аксессуаром, но вскоре из-за своего удобства, они были облюбованы и мужской частью населения.

В 21 веке спутниковая навигация развивается стремительными темпами. Можно определить положение любых объектов, которые хоть как-то связаны со спутниками, будь то мобильный телефон, автомобиль или космический корабль. Но ничего этого нельзя было бы достичь без атомных часов.
Также эти часы используются в различных телекоммуникациях, например, в мобильной связи. Это самые точные часы, которые когда-либо были, есть и будут. Без них интернет был бы не синхронизирован, мы не знали бы расстояние до других планет и звезд и т.д.
В часах за секунду принимается 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, которое возникло при переходе между двумя энергетическими уровнями атома цезия-133. Такие часы называются цезиевыми. Но это только один из трех видов атомных часов. Еще есть водородные и рубидиевые часы. Однако, цезиевые часы используются чаще всего, поэтому не будем останавливаться на других видах.

Принцип работы цезиевых атомных часов

Лазер нагревает атомы изотопа цезия и в это время, встроенный резонатор регистрирует все переходы атомов. И, как было сказано ранее, после достижения 9 192 631 770 переходов, отсчитывается одна секунда.

Лазер, встроенный в корпус часов, нагревает атомы изотопа цезия. В это время резонатор регистрирует количество переходов атомов на новый энергетический уровень. Когда достигается определенная частота, а именно 9 192 631 770 переходов (Гц), то отсчитывается секунда, основываясь на международной системе СИ.

Использование в спутниковой навигации

Процесс определения точного местоположения того или иного объекта с помощью спутника весьма непрост. В этом участвует несколько спутников, а именно более 4 на один приемник (например, GPS навигатор в автомобиле).

В каждом спутнике установлены высокоточные атомные часы, радиопередатчик спутника и цифровой генератор кода. Радиопередатчик посылает на Землю цифровой код и информацию о спутнике, а именно параметры орбиты, модель и т.д.

Часы определяют, за какое время этот код дошел до приемника. Таким образом, зная скорость распространения радиоволн, вычисляется расстояние до приемника на Земле. Но одного спутника для этого мало. Современные GPS приемники могут принимать сигналы от 12 спутников одновременно, что позволяет определить местоположение объекта с точностью до 4-х метров. Кстати, стоит отметить, что GPS навигаторы не требуют абонентской платы.

Во-первых, часы использует человечество в качестве средств программно-временного управления.

Во-вторых, в наши дни измерение времени является и самым точным видом измерений из всех проводимых: точность измерения времени определяется сейчас невероятно погрешностью порядка 1·10-11 %, или 1 с за 300 тыс. лет.

А добились такой точности современные люди, когда стали использовать атомы , которые в результате своих колебаний являются регулятором хода атомных часов. Атомы цезия находятся в двух, необходимых нам, энергетических состояниях (+) и (-). Электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 герц образуется, когда атомы переходят из состояния (+) в (-), создавая точный постоянный периодический процесс - регулятор кода атомных часов.

Для того, чтобы атомные часы работали точно цезий необходимо испарить в печи, в результате этого процесса выбрасываются его атомы. Позади печи находится сортирующий магнит, который обладает пропускной способностью атомов в состоянии (+), а в нем за счет облучения в микроволновом поле атомы переходят в состояние (-). Второй магнит направляет атомы, изменившие состояние (+) на (-) в приемное устройство. Много атомов, изменивших свое состояние, получается лишь в том случае, если частота микроволнового излучателя в точности совпадет с частотой колебаний цезия 9 192 631 770 герц. Иначе, количество атомов (-) в приемном устройстве уменьшается.

Приборы постоянно отслеживают и регулируют постоянство частоты 9 192 631 770 герц. А значит, осуществилась мечта часовых конструкторов, найден абсолютно постоянный периодический процесс: частота 9 192 631 770 герц, регулирующая ход атомных часов.

Сегодня, в результате международного соглашения, секунда определяется как период излучения умноженный на 9 192 631 770, соответствующий переходу между двумя гипертонкими структурными уровнями основного состояния атома цезия (изотопа цезия-133).

Для измерения точного времени можно использовать также колебания других атомов и молекул, таких как, атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекул водорода, йода, метана и т. д. Однако, стандартом частоты признано излучение атома цезия. Для того чтобы осуществить сравнение колебаний разных атомов со стандартом (цезия) создан титан-сапфировый лазер, генерирующий широкий диапазон частот в диапазоне от 400 до 1000 нм.

Первым создателем кварцевых и атомных часов был английский физик-экспериментатор Эссен Льюис (1908-1997) . В 1955 г. он создал первый атомный стандарт частоты (времени) на пучке атомов цезия. Как результат этой работы через 3 года (1958) возникла служба времени, основанная на атомном стандарте частоты.

В СССР свои идеи по созданию атомных часов выдвигал академик Николай Геннадьевич Басов.

Итак, атомные часы, один из точных типов часов - устройство для измерения времени, где в качестве маятника используются собственные колебания атомов или молекул. Стабильность атомных часов является наилучшей среди всех существующих типов часов, что является залогом высочайшей точности. Генератор атомных часов выдает в секунду более чем 32 768 импульса в отличие от обычных часов. Колебания атомов не зависят от температуры воздуха, вибраций, влажности и многих других внешних факторов.

В современном мире, когда без навигации просто не обойтись, атомные часы стали незаменимыми помощниками. Они способны определить местоположение космического корабля, спутника, баллистической ракеты, самолета, подводной лодки, автомобиля автоматически по спутниковой связи.

Таким образом, последние 50 лет атомные часы, а точнее цезиевые, считаются самыми точными. Они уже давно используются службами точного времени, а также временные сигналы транслируются некоторыми радиостанциями.

Устройство атомных часов включает в себя 3 части:

квантовый дискриминатор,

кварцевый осциллятор,

комплекс электроники.

Кварцевый осциллятор генерирует частоту (5 или 10 МГц). Осциллятор представляет собой RC-радиогенератор, у которого в качестве резонансного элемента используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла, где и происходит сравнение атомов, изменивших состояние (+) на (-) Для повышения стабильности его частота постоянно сравнивается с колебаниями квантового дискриминатора (атомов или молекул). При появлении разницы в колебаниях, электроника подстраивает частоту кварцевого осциллятора до нулевого уровня, тем самым повышая стабильность и точность часов до нужного уровня.

В современном мире атомные часы могут быть изготовлены в любой стране мира для использования их в повседневной жизни. Они весьма невелики по своим размерам и красивы. Размер последней новинки атомных часов не более спичечного коробка и их низкое энергопотребление - менее 1 Ватт. И это не предел, возможно, в будущем технический прогресс достигнет мобильных телефонов. А пока компактные атомные часы устанавливают лишь настратегические ракеты для повышения точности навигации во много раз.

Сегодня мужские и женские атомные часы на любой вкус и кошелек можно купить в Интернет магазинах.

В 2011 году самые маленькие в мире атомные часы создали специалисты компании Symmetricom и Национальной лаборатории Сандия. Эти часы, в 100 раз более компактные, чем предыдущие коммерчески доступные версии. По величине атомный хронометр — не больше спичечного коробка. Для работы ему достаточно мощности 100 мВт — это в 100 раз меньше по сравнению с предшественниками.

Уменьшить размер часов удалось, установив вместо пружин и шестеренок механизм, действующий по принципу определения частоты электромагнитных волн, излучаемых атомами цезия под действием лазерного луча ничтожной мощности.

Такие часы применяются в навигации, а также в работе шахтеров, водолазов, там, где необходимо точно синхронизировать время с коллегами на поверхности, а также службами точного времени, ведь ошибка атомных часов составляет менее 0,000001 доли секунды в сутки. Стоимость рекордно малых атомных часов Symmetricom составила около 1500 долларов.