Πως δουλεύει στην πράξη ένα ατομικό ρολόι Καισίου;

Συχνές ερωτήσεις,  Μάρτιος 2002

Τα άτομα έχουν χαρακτηριστικές συχνότητες ταλάντωσης. Μ' αυτό εννοούμε ότι απορροφούν και εκπέμπουν φως ορισμένων μόνο συχνοτήτων, που είναι χαρακτηριστικές για κάθε είδος ατόμων. Το πιο γνωστό ίσως παράδειγμα τέτοιας συχνότητας είναι το πορτοκαλί φως που εκπέμπεται από το Νάτριο που περιέχει το μαγειρικό αλάτι, όταν αυτό βρεθεί μέσα σε μια φλόγα. Ένα άτομο θα έχει πολλές συχνότητες, μερικές εκ των οποίων θα είναι στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων ενώ άλλες θα είναι στην περιοχή του ορατού φωτός, και άλλες ανάμεσα στις δύο περιοχές συχνοτήτων. Το Καίσιο 133 είναι το στοιχείο που χρησιμοποιείται συχνότερα ως ατομικό ρολόι. 

Μερικοί ορισμοί Ατομικό ρολόι - Ένα ρολόι ακριβείας, του οποίου η λειτουργία βασίζεται σε μια ηλεκτρική ταλάντωση, η οποία ρυθμίζεται από τις φυσικές συχνότητες ταλάντωσης ενός ατομικού συστήματος, όπως π.χ. μιας δέσμης ατόμων καισίου Καίσιο 133 - Ένα ισότοπο του Καισίου, που χρησιμοποιείται κυρίως στα ατομικά ρολόγια και του οποίου οι μεταπτώσεις μεταξύ των ενεργειακών σταθμών του χρησιμοποιείται για τον επιστημονικό ορισμό της μονάδας χρόνου. Το δευτερόλεπτο στο σύστημα SI (ατομικό δευτερόλεπτο) - Το χρονικό διάστημα που χρειάζεται για να συμπληρωθούν 9,192,631,770 ταλαντώσεις του ατόμου Καισίου 133, όταν υποστεί κατάλληλη διέγερση. Πηγή: Το ηλεκτρονικό λεξικό Merriam-Webster

Για να μετατρέψουμε τον ατομικό συντονισμό του Καισίου σε ατομικό ρολόι, είναι αναγκαίο να μετρήσουμε ακριβώς μια από τις συχνότητες εκπομπής ή απορρόφησης Ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά τις μεταπτώσεις μεταξύ των ενεργειακών του σταθμών. Αυτό συνήθως γίνεται με τη σταθεροποίηση της συχνότητας ενός ταλαντωτή με κρύσταλλο, στην ίδια συχνότητα μικροκυμάτων που εκπέμπει και το άτομο του Καισίου. Το ηλεκτρομαγνητικό αυτό σήμα είναι στην ίδια περιοχή ραδιοσημάτων που χρησιμοποιούν και οι δορυφόροι τηλεπικοινωνιών. Η κατασκευή και λειτουργία συσκευών στην περιοχή αυτή του φάσματος είναι κάτι που οι μηχανικοί γνωρίζουν πάρα πολύ καλά.

Για να λειτουργήσει ένα ρολόι, το Καίσιο κατ' αρχήν θερμαίνεται ώστε τα άτομά του να εξαχνωθούν, και στη συνέχεια διαβιβάζεται σ' ένα σωλήνα υψηλού κενού. Πρώτα περνάνε από ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιλέγει τα άτομα που βρίσκονται στην επιθυμητή ενεργειακή στάθμη. Στη συνέχεια περνάνε από μια περιοχή όπου επικρατεί πεδίο μικροκυμάτων μεγάλης έντασης. Η συχνότητα των μικροκυμάτων μεταβάλλεται σαρώνοντας μια στενή περιοχή συχνοτήτων, και ξανά από την αρχή, κατά τρόπο ώστε σε κάθε κύκλο της μεταβολής πετυχαίνει σε κάποιο σημείο ακριβώς τη συχνότητα των 9,192,631,770 Hertz. Τα μικροκύματα αυτά προέρχονται από μια γεννήτρια με κρυσταλλικό ταλαντωτή. Όταν ένα άτομο Καισίου απορροφά ενέργεια υπό μορφή μικροκυμάτων που έχουν ακριβώς την προαναφερόμενη συχνότητα μεταπηδά σε μια συγκεκριμένη ανώτερη ενεργειακή στάθμη.  

Στο άκρο του σωλήνα, ένα άλλο μαγνητικό πεδίο διαχωρίζει εκείνα τα άτομα που έχουν διεγερθεί από την απορρόφηση των μικροκυμάτων στην επιθυμητή ενεργειακή στάθμη. Ένας ανιχνευτής, επίσης στο άκρο του σωλήνα, μας δίνει μια ένδειξη ανάλογη με τον αριθμό των ατόμων Καισίου που ανιχνεύει και συνεπώς η ένδειξή του κορυφώνεται όταν η συχνότητα των μικροκυμάτων είναι ακριβώς η σωστή. Η αναζήτηση της μέγιστης ένδειξης του ανιχνευτή χρησιμεύει για να γίνονται ελαφρές διορθώσεις που είναι αναγκαίες ώστε η συχνότητα των μικροκυμάτων να έχει ακριβώς την τιμή που αναφέρθηκε. Αυτή η σταθεροποιημένη συχνότητα διαιρείται στη συνέχεια με τον αριθμό  9,192,631,770 για να μας δώσει τη γνωστή μας τιμή ενός παλμού ανά δευτερόλεπτο που απαιτούν οι εφαρμογές του πραγματικού κόσμου.