Atomski sat

Izgled klasičnog atomskog sata

Tačnost atomskih satova kroz historiju (NIST - National Institute of Standards and Technology)

Atomski sat je vrsta sata koji koristi standardnu rezonantnu frekvenciju atoma kao brojač protoka vremena. Atomski sat je najtačnija vrsta sata na svijetu. Bez njega ne bi bio zamisliv ni GPS (Global Positioning System), navigacija bi bila otežana, svemirski letovi ne bi mogli tako dobro da se planiraju a položaji planeta ne bi se mogli određivati tako precizno kao što je to slučaj uz upotrebu atomskih satova.

I atomski i običan mehanički sat za mjerenje vremena koriste titranje ili osciliranje, ali kod atomskog sata je ono određeno masom jezgre atoma i silom gravitacije, te elektrostatičkom “oprugom” između pozitivnog naboja jezgre i elektronskog oblaka.

Način rada

Princip rada atomskog sata se zasniva na sposobnošću atoma da emituje titraje određene frekvencije. Atom može da ima mnoge različitih frekvencija, ali je cezij-133 element koji se najčešće koristi u atomskim satovima i to je element koji se koristi u zvaničnim definicijama za osnovnu SI jedinicu za vrijeme tj. za sekundu. Od 1967. godine SI sistem definiše sekundu kao 9.192.631,770 ciklusa radijacije koja odgovara razmjeni između dva nivoa energije atoma cezija-133. Ova definicija je odredila oscilator cezija kao primarni standard za mjerenje vremena i frekvencije.

Da bi se cezijeva atomska rezonanca iskoristila za atomski sat, potrebno je precizno izmjeriti jednu od njegovih frekvencija, što se obično čini vezivanjem jednog kristalnog oscilatora za glavnu mikrotalasnu rezonancu cezijevog atoma. Taj signal je u mikrotalasnom području elektromagnetskog spektra i, sasvim slučajno, u istoj je vrsti frekvencija kao direktno emitirani satelitski signali.

Da bi se napravio atomski sat, cezij se prvo zagrijava i atomi prolaze kroz jednu cijev pod visokim vakuumom – prvo kroz magnetno polje koje odabire atome odgovarajućeg energetskog stanja, pa potom prolaze kroz intenzivno mikrotalasno polje. Frekvencija mikrotalasne energije titra natrag i naprijed u uskom području frekvencija, tako da u jednoj tački svakog ciklusa prelazi frekvenciju od tačno 9 192 631 770 Hertza. Domet mikrotalasnog generatora je ionako blizu baš toj frekvenciji, budući da potiče od preciznog kristalnog oscilatora. Kad atom cezija primi mikrotalasnu energiju na tačnoj frekvenciji, njegovo energetsko stanje se mijenja.

Na drugoj strani cijevi, drugo magnetno polje izdvaja atome izmenjenog energetskog stanja ukoliko je mikrotalasno polje na tačnoj frekvenciji. Jedan detektor na kraju cijevi daje izlaz proporcionalan broju atoma cezija koji ga udaraju, pri čemu su najveće vrijednosti izlaza onda kad je mikrotalasna frekvencija tačna. Ta najveća vrijednost se potom koristi za izvođenje male ispravke, kako bi se kristalni oscilator, podesio na preciznu frekvenciju. Tako utvrđena frekvencija se poslije dijeli sa 9 192 631 770, kako bi se dobio jedan otkucaj po sekundi potreban u realnom svijetu.

Danas postoji više vrsta atomskih satova, ali svi rade na sličan način. Najveća razlika među njima se odnosi na element koji koriste kao sredstvo otkrivanja promjene energetskih nivoa: cezij koristi snop cezijevih atoma, pri čemu sat uz pomoć magnetnog polja razdvaja atome cezija različitih energetskih nivoa; Hidrogenovi atomski satovi održavaju atome hidrogena na odgovarajućem energetskom nivou u jednom spremniku sa zidovima od specijalnog materijala, tako da atomi ne gube prebrzo visoki energetski nivo. Najjednostavniji i najkompaktniji, rubidijumovi atomski satovi, koriste staklenu ćeliju sa plinom rubidijumom, koja mijenja upijanje svjetlost i na optičkoj rubidijumovoj frekvenciji, kad je okolna mikrotalasna frekvencija tačna. Najprecizniji su cezijovi atomski satovi sa normalnim magnetnim poljem. Životni vijek standarda je važan praktičan problem. Moderne rubidijumove cijevi traju više od deset godina a izrazito su jeftine i koštaju oko 50 američkih dolara dok npr. cezijeve cijevi traju kraće (oko 7 godina) a koštaju oko 50.000 dolara. Hidrogenske cijevi imaju neograničen vijek trajanja.

Historija

Prvu ideju o korištenju atomske frekvencije u svrhu mjerenja vremena je predložio Lord Kelvin 1879. godine.^[1] Magnetna rezonanca, razvijena tokom 1930-ih od strane Isidor Rabija, je praktično omogućila izradu takvog sata. 1945. godine, Rabi je prvi javno predložio da se atomska zraka magnetne rezonance može se koristiti kao osnova za sat.^[2]

Prvi atomski sat je napravljen u američkom nacionalnom birou za standarde NBS. Prvi precizni atomski sat napravio je Louis Essen u Velikoj Britaniji 1955. godine, a rad ovog sata je bio zasnovan na promjenama atoma cezija-133. Tačnost tog sata je dovela do toga da je osobina cezija-133 izabrano od Međunarodnog sistema mjernih jedinica za određivanje trajanja jedne sekunde. Sekunda je trajanje od 9 192 631 770 perioda zračenja koje odgovara prelazu između dva hiperfina nivoa osnovnog stanja atoma cezija-133 na temperaturi od 0 K. ^[3] Od tada se za atomske satove koriste hidrogen-1, cezij-133 i rubidijum-87, ali ipak cezij-133 je najtačniji. Atomski sat FOCS-1 u Švicarskoj, koji je počeo raditi 2004. godine, ima najveću grešku od 1 sekunde u 30 miliona godina. ^[4]

U avgustu 2004. godine naučnici američkog nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) javnosti su predstavili atomski sat FOCS-1 sa integralnim kolom koji je bio 100 puta manji od ostalih. Ovaj atomski sat ima najveću grešku od 1 sekunde u 30 miliona godina. ^[5]

Primjena

Razvoj atomskih satova doveo je do mnogih naučnih i tehnoloških dostignuća kao što su Globalni pozicioni sistem, regionalni navigacioni satelitski sistemi i aplikacije na Internetu, koje kritično zavise od frekvencija i vremenskih standarda. Atomski satovi se instaliraju na mjestima vremenskih signala radio predajnika.

Globalni pozicioni sistem (GPS)

Glavni članak: Globalni pozicioni sistem

Globalni pozicioni sistem je kori se koristi za određivanje pozicije na zemlji.

To je navigacioni satelitski sistem, čiji se koncept zasniva na prostorno baziranim satelitima a koji pruža pouzdane podatke o prostoru i vremenu u svim vremenskim uslovima i bilo gdje na Zemlji i blizu Zemlje pod uslovom da nema prepreke vidljivosti prema četiri ili više satelita koji čine ovaj globalni sistem. Funkcioniše uz pomoć 27 satelita, od kojih je 24 aktivno a tri služe kao rezerva, u slučaju kvarova. Za kalkulaciju pozicije je potreban signal od najmanje tri satelita. Vrijeme koje je potrebno emitovanom signalu da pređe put između jednog satelita i tačke na zemlji služi za kalkulaciju njihovog rastojanja. Time u principu biva izračunato beskonačno mnogo tačaka u prostoru odnosno radijus jedne kugle, na čijoj površini se bilo gdje može nalaziti određena tačka. Sa dva satelita se dobiju dvije kugle, čiji presjek je jedna krivulja u svemiru, koja dijelom leži na zemlji. Tek sa signalom trećeg satelita je moguće utvrditi položaj objekta na zemlji. Presjek tri kugle su dvije tačke, od kojih je jedna na zemlji, a druga negdje u svemiru. Ako se izuzme tačka u svemiru, kao rezultat ostaje tačka na zemlji. Time je trodimenzionalno određen položaj tačke na zemlji.

Također pogledajte

• Međunarodno atomsko vrijeme
• Mjeriteljstvo

Reference

1. Sir William Thomson (Lord Kelvin) and Peter Guthrie Tait, Treatise on Natural Philosophy, 2nd ed. (Cambridge, England: Cambridge University Press, 1879), vol. 1, part 1, page 227.
2. Isador I. Rabi, "Radiofrequency spectroscopy" (Richtmyer Memorial Lecture, delivered at Columbia University in New York, New York, on 20 January 1945). See also: "Meeting at New York, January 19 and 20, 1945" Physical Review, vol. 67, pages 199-204 (1945). See also: William L. Laurence, "'Cosmic pendulum' for clock planned," New York Times, 21 January 1945, page 34 (see: http://tf.nist.gov/general/pdf/2039.pdf ).
3. L. Essen, J.V.L. Parry: "An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator", journal=Nature, 1955.
4. J. Ye, H. Schnatz, L.W. Hollberg: "Optical frequency combs: From frequency metrology to optical phase control", http://jilawww.colorado.edu/YeLabs/pubs/scienceArticles/2003/sArticle_2003_08_SchnatzHollberg.pdf Arhivirano 25. 3. 2009. na Wayback Machine], journal=IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2003.
5. J. Ye, H. Schnatz, L.W. Hollberg: "Optical frequency combs: From frequency metrology to optical phase control", http://jilawww.colorado.edu/YeLabs/pubs/scienceArticles/2003/sArticle_2003_08_SchnatzHollberg.pdf Arhivirano 25. 3. 2009. na Wayback Machine], journal=IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2003.

Vanjski linkovi

• Glavna web stranica NIST-a
• Optički atomski sat BBC, 2005.