Ceas atomicCum să faci ca un ceas să funcţioneze fără greşeală? Este oare posibil ca timpul să fie măsurat fără erori cu instrumente umane? În căutarea perfecţiunii, cercetătorii au ajuns la "cărămizile" universului, atomii. Cum s-au folosit de ei pentru a cuantifica trecerea timpului? Citiţi aici.

 

 

Scurt istoric

Primul ceas atomic a fost construit în 1949, în Statele Unite ale Americii, la Biroul Naţional de Standarde, dar nu a atins performanţe deosebite. A urmat Caesium I, proiectat de către Louis Essen şi construit în Laboratorul Naţional de Fizică din Teddington, Anglia, în 1955. Cu toate că nu era prima maşină care folosea proprietăţile atomilor pentru a măsura timpul, era prima care atingea performanţe superioare ceasurilor cu cuarţ sau cu pendul.

 

Louis Essen

Toate ceasurile mecanice au la bază numărarea oscilaţiilor unui sistem cu o mişcare uniformă. Frecvenţa pendulului sau oscilaţia cristalului de cuarţ se modifică însă în timp în funcţie de anumiţi factori. Ceea ce cautau oamenii de ştiinţă era un dispozitiv care să fie independent de rotaţia planetei, de frecarea cu atmosfera sau de alţi factori naturali şi care sa ofere o precizie superioară.

În 1945, profesorul Isidor Rabi de la Universitatea Columbia sugera folosirea proprietăţilor elementelor chimice pentru a construi un ceas extrem de precis. S-a încercat iniţial la Biroul Naţional de Standarde folosindu-se molecule de amoniu, pentru a se recurge ulterior la elemente precum cesiul sau rubidiul. Caesium I avea o precizie de o secundă la trei sute de ani, iar ceasurile atomice moderne ating performanţe de neimaginat acum 50 de ani.

 

Atomul de cesiu

Pentru a putea înţelege principiul de funcţionare a ceasului atomic, este nevoie să intrăm puţin în “bucătăria internă” a atomului şi în special în cea a atomului de cesiu. Atomul este încă înţeles de mulţi ca o colecţie de electroni care orbitează în jurul nucleului asemenea planetelor în jurul Soarelui. Noţiunea de orbită este totuşi diferită în cadrul modelului atomic propus de Niels Bohr, cel despre care vorbim aici.

 

 

În viziunea lui Bohr, electronilor de pe un anumit nivel energetic, adică de pe o anumită orbită, le este permis “să evolueze” într-o arie de o anume formă şi nu doar pe o orbită eliptică, cum este cazul modelului sistemului solar. Calculele efectuate pe baza teoriilor din mecanica cuantică sunt cele care au arătat că electronii pot orbita doar în anumite poziţii. Pentru a “sări” de pe o orbită mai înaltă pe una mai joasă (de energie mai mică), un electron trebuie să cedeze energie sub formă de radiaţie electromagnetică (lumină sau unde radio) cu o anumită frecvenţă (există o relaţie matematică între diferenţa dintre 2 niveluri de energie şi frecvenţa radiaţiei electromagnetice corespunzătoare, exprimată de formula dE=h*f, unde dE-diferenţa de energie, f-frecvenţa radiaţiei electromagnetice şi h-constanta lui Planck ). De asemenea, electronii tind să ocupe nivelele energetice mai joase (mai apropiate de nucleu), iar “excitarea” atomului, respectiv trimiterea electronilor pe nivele mai înalte de energie, presupune transferul unei cantităţi de energie electronilor. Dacă un electron de pe o orbită mai joasă primeşte energie de frecvenţă corespunzătoare, acesta va sări pe o orbită mai înaltă.

Ceasurile atomice se bazează pe următorul principiu: atomii, conform celor arătate mai sus, au anumite frecvenţe de rezonanţă asociate. Fiecare element chimic absoarbe/emite radiaţie electromagnetică cu o frecvenţă caracteristică. Frecvenţa radiaţiei electromagnetice absorbită/cedată de un atom al unui anume element chimic este constantă în timp şi spaţiu prin însăşi natura atomilor respectivi.

În cazul cesiului, trebuie spus că fiecare atom conţine 55 de electroni. Ultimul dintre aceştia ocupă o orbită mai depărtată de nucleu decât restul. Ce este diferit faţă de teoria explicată anterior, este faptul că pe această orbită superioară, nivelul energetic asociat poate avea 2 valori puţin diferite, în funcţie de o proprietate a electronului numită spin (spinul electronului descrie mişcarea electronului în jurul propriei sale axe, mişcare numită spin electronic, care dă naştere unui moment magnetic propriu al electronului). O valoare sau alta a spinului reflectă proprietăţi magnetice diferite ale atomului de cesiu, deci atomii din aceste 2 stări au proprietăţi magnetice uşor diferite, un amănunt extrem de important în funcţionarea ceasului atomic cu cesiu.

 

În fizică, se asociază atomului o proprietate numită ground state energy, care descrie nivelul energetic al respectivului atom (starea fundamentală a atomului). În cazul cesiului există două valori corespunzătoare acestui nivel energetic de bază al atomului, în funcţie de spinul electronului de pe cea mai înaltă orbită, iar această mică perturbaţie a nivelului energetic al atomului a fost botezată structura superfină (hyperfine structure). Începând cu 1967, secunda a fost redefinită pe baza acestor proprietăţi ale atomului de cesiu. De atunci, secunda este durata egală cu 9.192.631.770 perioade ale radiaţiei care corespunde tranziţiei între cele două niveluri superfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu 133.

 

 

Principiul de funcţionare a ceasului atomic

Partea componentă a unui ceas atomic responsabilă cu măsurarea timpului este, oricât de surprinzător ar părea, un oscilator cu cristal de cuarţ. În cazul majorităţii ceasurilor cu cuarţ, oscilatorul este reglat corespunzător la momentul fabricaţiei, dar frecvenţa sa de oscilaţie nu mai este verificată ulterior. În timp, frecvenţa variază uşor, dar neuniform, influenţând în mod negativ precizia ceasului.


Scopul complicatului mecanism al ceasurilor atomice este de a verifica continuu frecvenţa de oscilaţie a oscilatorului de cuarţ, ceea ce conferă o precizie uluitoare aparatului.

 

Cum funcţiona Caesium I ?

 

Schema ceas atomic

 

  • La unul din capetele ceasului este un cuptor care evaporă atomi de cesiu de pe suprafaţa unei bucăţi de metal (cesiul este un metal alcalin care fierbe la 280C). Atomii astfel produşi vor fi în una din cele două stări de care am pomenit anterior (două nivele energetice distincte, în funcţie de spinul electronului de pe cea mai înaltă orbită).
  • Dispozitivul înglobează un tub prin care trece fasciculul de atomi de cesiu produs. Am menţionat că proprietăţile magnetice ale celor două tipuri de atomi sunt diferite, fapt pentru care un magnet este folosit pentru a îi separa, renunţându-se la cei cu o energie mai mare.
  • Oscilatorul cristalului de cuarţ este reglat pentru o frecvenţă de 9.192.631.770 Hz şi controlează o sursă de unde radio îndreptată către atomii rămaşi (cei de energie scăzută). Dacă oscilatorul cu cuarţ este reglat corect, mulţi dintre atomi trec dintr-o stare energetică în alta, pentru că electronii de pe cel mai înalt nivel energetic primesc exact cantitatea de energie necesară pentru a-şi schimba starea.
  • La celălalt capăt al dispozitivului se găseşte un alt magnet, care separă atomii care şi-au schimbat starea de cei care au rămas neafectaţi. Cantitatea de atomi care au "asimilat" radiaţie electromagnetică este evaluată continuu de către un detector, într-o cameră specială. Dacă apar variaţii, mai exact dacă numărul lor scade, înseamnă că frecvenţa de oscilaţie a cristalului cu cuarţ s-a modificat, din care cauză nu s-au mai generat unde radio cu frecvenţa necesară tranziţiei atomului de cesiu dintr-o stare energetică în alta. În acest caz, un sistem automat de control ajustează frecvenţa de oscilaţie până în momentul în care atomii modificaţi ating maximumul anterior înregistrat.
  • Mecanismul de autoreglare a frecvenţei oscilatorului cu cuarţ menţine precizia ceasului.
  • Pentru a converti frecvenţa de oscilaţie în impulsuri electrice la interval de exact o secundă se foloseşte un circuit de tip numărător electronic.

 

Urmaşii lui Caesium I

Odată Caesium I pus la punct, Louis Essen a început să îmbunătăţească design-ul original. În 1959 apare Caesium II, care folosea un tub de direcţionare a fasciculului de atomi de cesiu mai lung, iar expunerea atomilor la microunde era de mai lungă durată. Aceste modificări au mărit precizia până la o secundă la 2000 de ani. Tehnologia a continuat să progreseze. În 1964 modelul HP5060A ridică gradul de precizie la o secundă la 6000 de ani. În prezent, modele precum HP5071A, cu o precizie de o secundă la 30000 de ani, sunt disponibile comercial. În 1993, Institutul Naţional de Standarde şi Tehnologie (NIST) din SUA construieşte NIST-7, un ceas atomic cu cesiu care folosea lasere în locul magneţilor pentru a separa atomii înainte şi după trecerea prin tubul în care sunt bombardaţi cu unde radio. Precizia: o secundă la 800000 de ani.

 

Cesium fountain

 

 

Cesium fountain

 

Un tip nou de ceas atomic, numit cesium fountain, foloseşte laserele în locul magneţilor, asemenea lui NIST-7. Iniţial, atomii de cesiu sunt încetiniţi până aproape de starea de repaus folosind lasere. Aproximativ 10 milioane de atomi sunt colectaţi într-un câmp magnetic, unde sunt separaţi în funcţie de nivelul energetic. Câmpul magnetic este apoi dezactivat, iar laserele împing norul de atomi în sus, într-o mişcare asemănătoare fântânii arteziene. Aceştia urcă şi coboară uşor sub influenţa gravitaţiei, trecând astfel printr-o zonă cu unde radio, ca într-un ceas atomic clasic. Sunt număraţi cei care şi-au schimbat nivelul energetic cu ajutorul altui laser, realizându-se astfel mecanismul de reglare a oscilatorului cu cuarţ.

Utilizări ale ceasului atomic

Deşi majoritatea activităţilor umane nu necesită un grad de acurateţe atât de mare în măsurarea timpului precum cea oferită de ceasurile atomice, există tehnologii care au nevoie de precizia acestora. Spre exemplu, tehnologia GPS necesită sincronizări de timp extrem de precise pentru a localiza cu erori de câţiva metri poziţia unei unităţi GPS (de obicei prin calcularea timpului parcurs de un semnal radio de la un satelit la un punct de pe suprafaţa Pământului).

Menţionăm că cel mai compact model de ceas atomic se află in dotarea sateliţilor răspunzători de acest sistem de poziţionare globală (GPS) şi funcţionează cu rubidiu, având o precizie de o secundă la 1 milion de ani!

De asemenea, aşa cum am mai spus anterior, începând cu 1967 timpul furnizat de ceasurile atomice a devenit etalonul măsurării timpului.