jam atom
Jika kita mengevaluasi akurasi jam kuarsa dari sudut pandang stabilitas jangka pendeknya, maka harus dikatakan bahwa akurasi ini jauh lebih tinggi daripada jam bandul, yang, bagaimanapun, menunjukkan stabilitas tingkat yang lebih tinggi selama jangka panjang. pengukuran. Pada jam tangan kuarsa, ketidakteraturan disebabkan oleh perubahan struktur internal kuarsa dan ketidakstabilan sistem elektronik.
Sumber utama pelanggaran stabilitas frekuensi adalah penuaan kristal kuarsa, yang menyinkronkan frekuensi osilator. Benar, pengukuran telah menunjukkan bahwa penuaan kristal, disertai dengan peningkatan frekuensi, berlangsung tanpa fluktuasi besar dan perubahan mendadak. Meskipun. ini, penuaan, mengganggu operasi yang benar dari jam tangan kuarsa dan menentukan perlunya pemantauan rutin oleh perangkat lain dengan osilator yang memiliki respons frekuensi yang stabil dan tidak berubah.
Perkembangan pesat spektroskopi gelombang mikro setelah Perang Dunia Kedua membuka kemungkinan baru di bidang pengukuran waktu yang akurat melalui frekuensi yang sesuai dengan garis spektral yang sesuai. Frekuensi ini, yang dapat dianggap sebagai standar frekuensi, memunculkan ide untuk menggunakan generator kuantum sebagai standar waktu.
Keputusan ini merupakan perubahan bersejarah dalam sejarah kronometri, karena itu berarti penggantian satuan waktu astronomis yang berlaku sebelumnya dengan satuan waktu kuantum baru. Satuan waktu baru ini diperkenalkan sebagai periode radiasi dari transisi yang ditentukan secara tepat antara tingkat energi molekul zat tertentu yang dipilih secara khusus. Setelah studi intensif tentang masalah ini pada tahun-tahun pertama pascaperang, dimungkinkan untuk membangun perangkat yang beroperasi berdasarkan prinsip penyerapan terkontrol energi gelombang mikro dalam amonia cair pada tekanan yang sangat rendah. Namun, percobaan pertama dengan perangkat yang dilengkapi dengan elemen penyerapan tidak memberikan hasil yang diharapkan, karena perluasan garis penyerapan yang disebabkan oleh tumbukan timbal balik molekul membuat sulit untuk menentukan frekuensi transisi kuantum itu sendiri. Hanya dengan metode sinar sempit molekul amonia yang terbang bebas di USSR A.M. Prokhorov dan N.G. Basov, dan di Kota-kota AS dari Universitas Columbia berhasil secara signifikan mengurangi kemungkinan tumbukan timbal balik molekul dan secara praktis menghilangkan pelebaran garis spektral. Dalam keadaan ini, molekul amonia sudah dapat memainkan peran sebagai generator atom. Seberkas molekul sempit, yang masuk melalui nosel ke ruang vakum, melewati medan elektrostatik yang tidak homogen di mana pemisahan molekul terjadi. Molekul dalam keadaan kuantum yang lebih tinggi dikirim ke resonator yang disetel, di mana mereka memancarkan energi elektromagnetik pada frekuensi konstan 23.870.128.825 Hz. Frekuensi ini kemudian dibandingkan dengan frekuensi osilator kuarsa yang termasuk dalam rangkaian jam atom. Generator kuantum pertama, maser amonia (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), dibangun berdasarkan prinsip ini.
N.G. Basov, A.M. Prokhorov dan Townes menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1964 untuk karya-karya ini.
Stabilitas frekuensi maser amonia juga dipelajari oleh para ilmuwan dari Swiss, Jepang, Jerman, Inggris Raya, Prancis dan, yang tak kalah pentingnya, Cekoslowakia. Selama periode 1968-1979. Di Institut Teknik Radio dan Elektronik dari Akademi Ilmu Pengetahuan Cekoslowakia, beberapa maser amonia dibuat dan dioperasikan dalam percobaan, yang berfungsi sebagai standar frekuensi untuk menjaga waktu yang akurat dalam jam atom buatan Cekoslowakia. Mereka mencapai stabilitas frekuensi urutan 10-10, yang sesuai dengan perubahan tingkat harian 20 sepersejuta detik.
Saat ini, frekuensi atom dan standar waktu terutama digunakan untuk dua tujuan utama - untuk mengukur waktu dan untuk mengkalibrasi dan mengendalikan standar frekuensi dasar. Dalam kedua kasus, frekuensi generator jam kuarsa dibandingkan dengan frekuensi standar atom.
Saat mengukur waktu, frekuensi standar atom dan frekuensi generator jam kristal dibandingkan secara teratur, dan interpolasi linier dan koreksi waktu rata-rata ditentukan dari penyimpangan yang terdeteksi. Waktu sebenarnya kemudian diperoleh dari jumlah pembacaan jam kuarsa dan koreksi waktu rata-rata ini. Dalam hal ini, kesalahan yang dihasilkan dari interpolasi ditentukan oleh sifat penuaan kristal jam kuarsa.
Hasil luar biasa yang dicapai dengan standar waktu atom, dengan kesalahan hanya 1 detik dalam seribu tahun penuh, adalah alasan bahwa pada Konferensi Umum Ketigabelas tentang Berat dan Ukuran, yang diadakan di Paris pada bulan Oktober 1967, definisi baru satuan waktu diberikan - satu detik atom, yang sekarang didefinisikan sebagai 9.192.631.770 osilasi radiasi atom cesium-133.
Seperti yang kami tunjukkan di atas, dengan penuaan kristal kuarsa, frekuensi osilasi osilator kuarsa secara bertahap meningkat dan perbedaan antara frekuensi kuarsa dan osilator atom terus meningkat. Jika kurva penuaan kristal benar, maka cukup untuk mengoreksi fluktuasi kuarsa hanya secara berkala, setidaknya pada interval beberapa hari. Dengan demikian, osilator atom tidak harus secara permanen terhubung ke sistem jam kuarsa, yang sangat menguntungkan karena penetrasi pengaruh yang mengganggu ke dalam sistem pengukuran terbatas.
Jam atom Swiss dengan dua osilator molekul amonia, yang didemonstrasikan di Pameran Dunia di Brussel pada tahun 1958, mencapai akurasi seperseratus ribu detik per hari, yang melebihi akurasi jam pendulum akurat sekitar seribu kali. Keakuratan ini sudah memungkinkan untuk mempelajari ketidakstabilan periodik dalam kecepatan rotasi sumbu bumi. Grafik pada gambar. 39, yang seolah-olah, merupakan gambaran perkembangan historis instrumen kronometrik dan peningkatan metode untuk mengukur waktu, menunjukkan bagaimana, hampir secara ajaib, keakuratan pengukuran waktu telah meningkat selama beberapa abad. Dalam 300 tahun terakhir saja, akurasi ini telah meningkat lebih dari 100.000 kali.
Beras. 39. Akurasi instrumen kronometrik pada periode 1930 hingga 1950
Ahli kimia Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) adalah orang pertama yang menemukan cesium, yang atom-atomnya, dalam kondisi yang dipilih dengan benar, mampu menyerap radiasi elektromagnetik dengan frekuensi sekitar 9192 MHz. Properti ini digunakan oleh Sherwood dan McCracken untuk membuat resonator berkas cesium pertama. L. Essen, yang bekerja di National Physical Laboratory di Inggris, mengarahkan usahanya pada penggunaan praktis resonator cesium untuk mengukur frekuensi dan waktu. Bekerja sama dengan kelompok astronomi "Observatorium Pusar Amerika Serikat" dia sudah pada tahun 1955-1958. menentukan frekuensi transisi kuantum cesium pada 9.192.631.770 Hz dan mengaitkannya dengan definisi detik ephemeris saat itu, yang kemudian, seperti ditunjukkan di atas, mengarah pada penetapan definisi baru satuan waktu. Resonator cesium berikut dirancang di National Research Council of Canada di Ottawa, di laboratorium Suisse de Rechers Horlogeres di Neuchâtel, dan lainnya. Walden" di Massachusetts.
Kompleksitas jam atom menunjukkan bahwa penggunaan osilator atom hanya mungkin dilakukan di bidang pengukuran waktu laboratorium, yang dilakukan dengan menggunakan alat pengukur besar. Bahkan, hal ini terjadi sampai saat ini. Namun, miniaturisasi juga sudah merambah kawasan ini. Perusahaan Jepang terkenal Seiko-Hattori, yang memproduksi kronograf kompleks dengan osilator kristal, menawarkan jam tangan atom pertama, yang sekali lagi dibuat bekerja sama dengan perusahaan Amerika McDonnell Douglas Astronautics Company. Perusahaan ini juga memproduksi sel bahan bakar mini, yang merupakan sumber energi untuk jam tangan yang disebutkan. Energi listrik pada elemen ini dengan ukuran 13? 6,4 mm menghasilkan radioisotop promethium-147; Kehidupan pelayanan elemen ini adalah lima tahun. Kotak arloji, terbuat dari tantalum dan baja tahan karat, merupakan perlindungan yang memadai terhadap sinar beta elemen yang dipancarkan ke lingkungan.
Pengukuran astronomi, studi tentang pergerakan planet-planet di ruang angkasa, dan berbagai penyelidikan astronomi radio sekarang sangat diperlukan tanpa mengetahui waktu yang tepat. Keakuratan yang diperlukan dalam kasus seperti itu dari kuarsa atau jam atom berfluktuasi dalam sepersejuta detik. Dengan semakin akuratnya informasi waktu yang diberikan, masalah sinkronisasi jam meningkat. Metode yang dulu memuaskan dari sinyal waktu yang ditransmisikan radio pada gelombang pendek dan panjang terbukti tidak cukup akurat untuk menyinkronkan dua instrumen kronometrik yang berjarak dekat dengan akurasi lebih besar dari 0,001 detik, dan sekarang bahkan tingkat akurasi ini tidak lagi memuaskan.
Salah satu solusi yang mungkin - pengangkutan jam tambahan ke tempat pengukuran komparatif - diberikan oleh miniaturisasi elemen elektronik. Pada awal 60-an, kuarsa khusus dan jam atom dibangun yang dapat diangkut dengan pesawat. Mereka dapat diangkut antara laboratorium astronomi dan masih memberikan informasi waktu dengan akurasi sepersejuta detik. Jadi, misalnya, ketika pada tahun 1967 transportasi antarbenua dari jam cesium mini yang diproduksi oleh perusahaan California Hewlett-Packard dilakukan, perangkat ini melewati 53 laboratorium dunia (juga di Cekoslowakia), dan dengan bantuannya jalannya jam lokal disinkronkan dengan akurasi 0,1 s (0,0000001 s).
Satelit komunikasi juga dapat digunakan untuk perbandingan waktu mikrodetik. Pada tahun 1962, Inggris dan Amerika Serikat menggunakan metode ini dengan mengirimkan sinyal waktu melalui satelit Telestar. Namun, hasil yang jauh lebih menguntungkan dengan biaya lebih rendah telah dicapai dengan mentransmisikan sinyal menggunakan teknologi televisi.
Metode transmisi waktu dan frekuensi yang akurat menggunakan pulsa sinkronisasi televisi ini dikembangkan dan dikembangkan di lembaga ilmiah Cekoslowakia. Pembawa informasi tambahan tentang waktu di sini menyinkronkan pulsa video, yang sama sekali tidak mengganggu transmisi program televisi. Dalam hal ini, tidak perlu memasukkan pulsa tambahan ke dalam sinyal gambar televisi.
Syarat untuk menggunakan metode ini adalah bahwa program TV yang sama dapat diterima di lokasi jam yang dibandingkan. Jam yang dibandingkan telah disesuaikan sebelumnya dengan akurasi beberapa milidetik, dan pengukuran kemudian harus dilakukan di semua stasiun pengukuran secara bersamaan. Selain itu, perlu diketahui perbedaan waktu yang diperlukan untuk transmisi pulsa clock dari sumber yang sama, yaitu sinkronisasi televisi, ke penerima di lokasi jam yang dibandingkan.
Dari buku Bagaimana orang menemukan tanah mereka pengarang Tomilin Anatoly NikolaevichPemecah es nuklir generasi kedua Setelah kapal pemecah es unggulan - pemecah es nuklir "Lenin", tiga pemecah es nuklir, pahlawan nuklir, dibangun di Leningrad. Mereka disebut pemecah es generasi kedua. Apa artinya ini? Mungkin, pertama-tama, saat membuat yang baru
Dari buku Broken Sword of the Empire pengarang Kalashnikov MaximBAB 14 TERGANGGU PENERBANGAN "ORLANS". RUSSIAN CRUISERS - HEAVY, NUCLEAR, ROCKET ... 1 Kami membuat buku ini bukan sebagai seruan untuk kehilangan kebesaran. Meskipun kami dapat menulis puluhan halaman, menggambarkan keadaan saat ini (ditulis pada tahun 1996) dari apa yang dulunya armada kapal besar
Dari buku Perang Dunia II oleh Beevor AnthonyBAB 50 Bom Atom dan Kekalahan Jepang Mei-September 1945 Pada saat Jerman menyerah pada Mei 1945, tentara Jepang di Cina telah menerima perintah dari Tokyo untuk memulai penarikan mereka ke pantai timur. Pasukan nasionalis Chiang Kai-shek babak belur selama Jepang
pengarangJam Matahari Tidak diragukan lagi, instrumen kronometrik yang paling umum adalah jam matahari, berdasarkan pergerakan harian dan terkadang tahunan Matahari. Jam seperti itu muncul tidak lebih awal dari kesadaran manusia tentang hubungan antara panjang dan posisi bayangan dari itu
Dari buku Another History of Science. Dari Aristoteles ke Newton pengarang Kalyuzhny Dmitry VitalievichJam air Jam matahari adalah indikator waktu yang sederhana dan dapat diandalkan, tetapi mengalami beberapa kekurangan serius: jam ini bergantung pada cuaca dan terbatas pada waktu antara matahari terbit dan terbenam. Tidak ada keraguan bahwa karena ini, para ilmuwan mulai mencari yang lain
Dari buku Another History of Science. Dari Aristoteles ke Newton pengarang Kalyuzhny Dmitry VitalievichJam api Selain jam matahari dan air, sejak awal abad ke-13, jam api pertama, atau jam lilin, muncul. Ini adalah lilin tipis dengan panjang sekitar satu meter dengan skala yang diterapkan di sepanjang panjangnya. Mereka menunjukkan waktu dengan relatif akurat, dan pada malam hari mereka juga menerangi tempat tinggal gereja dan
Dari buku Another History of Science. Dari Aristoteles ke Newton pengarang Kalyuzhny Dmitry VitalievichJam Pasir Tanggal jam pasir pertama juga tidak diketahui. Tetapi mereka, seperti lampu minyak, muncul tidak lebih awal dari kaca transparan. Diyakini bahwa di Eropa Barat mereka belajar tentang jam pasir hanya pada akhir Abad Pertengahan; salah satu referensi tertua untuk
Dari buku The Hunt for the Atomic Bomb: KGB Dossier No. 13 676 pengarang Chikov Vladimir Matveevich3. Bagaimana Mata-mata Atom Dilahirkan
Dari buku Sakura and Oak (koleksi) pengarang Ovchinnikov Vsevolod VladimirovichJam tanpa tangan “Para ahli waris masyarakat yang telah berinvestasi terlalu banyak di kekaisaran; orang, dikelilingi oleh sisa-sisa bobrok dari warisan berkurang, mereka tidak dapat membawa diri mereka sendiri, di saat krisis, untuk meninggalkan kenangan masa lalu dan mengubah gaya hidup mereka yang sudah ketinggalan zaman. Sampai wajah
Dari buku Perang Dunia II: kesalahan, kesalahan, kerugian oleh Dayton Len20. JAM KEGELAPAN Mari kita nyanyikan lagu tentang pilot muda, Jika bukan karena perang, mereka akan duduk di meja sekolah. Lagu RAF No. 55 Squadron yang ditulis sekitar tahun 1918 Pejuang Inggris memenangkan Pertempuran Inggris, tetapi pesawat tempur menderita
Dari buku Kehidupan Sehari-hari Kelas Bangsawan di Zaman Keemasan Catherine pengarang Eliseeva Olga IgorevnaJam Pagi Permaisuri sendiri membuat perapian, menyalakan lilin dan lampu dan duduk di mejanya di ruang belajar cermin - jam-jam pertama hari itu dikhususkan untuk latihan sastra pribadinya. Suatu kali dia memberi tahu Gribovsky bahwa, “tanpa buang air kecil, kamu bahkan tidak bisa suatu hari nanti
Dari buku Great Victory in the Far East. Agustus 1945: dari Transbaikalia ke Korea [resmi] pengarang Aleksandrov Anatoly AndreevichBab VII Serangan Atom Amerika 1 Hari tanggal 25 April ternyata sangat mencolok bagi kedua lawan bicaranya. Sekretaris Perang Stimson telah siap untuk laporan ini sejak awal bulan, tetapi kematian mendadak Presiden Roosevelt telah mengacaukan jadwal kontak pejabat tinggi.
Dari buku Rusia Amerika pengarang Burlak Vadim NiklasovichSelama jam istirahat, Baranov terkenal dengan keramahan dan cintanya untuk mengatur pesta. Ini diingat oleh orang Rusia, penduduk asli, dan pelaut asing. Bahkan di masa-masa lapar akan koloninya, ia menemukan kesempatan untuk menjamu tamu undangan dan tamu acak.
Dari buku Egypt of the Ramses oleh Monte PierreIV. Jam Orang Mesir membagi tahun menjadi dua belas bulan dan dengan cara yang sama membagi siang menjadi dua belas jam dan malam menjadi dua belas jam. Tidak mungkin mereka membagi jam menjadi periode waktu yang lebih kecil. Kata "di", yang diterjemahkan sebagai "instan", tidak memiliki kepastian
Dari buku The Biggest Spies of the World oleh Wighton CharlesBAB 12 MATA-MATA "ATOMIK" Saat fajar pada tanggal 16 Juli 1945, ketika Churchill, Truman, dan Stalin berkumpul di Berlin untuk Konferensi Potsdam, bom atom pertama diledakkan di gurun Alamogordo, New Mexico. Di perbukitan, dua puluh mil dari lokasi ledakan, terletak
Dari buku penjelajah Rusia - kemuliaan dan kebanggaan Rusia pengarang Glazyrin Maxim YurievichReaktor atom dan kristal elektronik Konstantin Chilovsky (lahir 1881), insinyur Rusia, penemu. Dia menemukan perangkat untuk mendeteksi kapal selam, yang banyak digunakan selama Perang Dunia Pertama (1914-1918). Untuk penemuannya ia dianugerahi Ordo Prancis
Pertama, jam menggunakan manusia sebagai alat kontrol waktu program.
Kedua, hari ini pengukuran waktu juga merupakan jenis pengukuran yang paling akurat dari semua yang dilakukan: keakuratan pengukuran waktu sekarang ditentukan oleh kesalahan luar biasa dari urutan 1 10-11%, atau 1 detik dalam 300 ribu tahun.
Dan orang-orang modern mencapai akurasi seperti itu ketika mereka mulai menggunakan atom, yang, sebagai akibat dari osilasinya, adalah pengatur jam atom. Atom cesium berada dalam dua keadaan energi yang kita butuhkan (+) dan (-). Radiasi elektromagnetik dengan frekuensi 9.192.631.770 hertz dihasilkan ketika atom berpindah dari keadaan (+) ke (-), menciptakan proses periodik konstan yang presisi - pengontrol kode jam atom.
Agar jam atom bekerja secara akurat, cesium harus diuapkan dalam tungku, akibatnya atomnya dikeluarkan. Di belakang tungku adalah magnet penyortiran, yang memiliki kapasitas atom dalam keadaan (+), dan di dalamnya, karena iradiasi dalam medan gelombang mikro, atom masuk ke keadaan (-). Magnet kedua mengarahkan atom yang telah berubah keadaan (+) menjadi (-) ke perangkat penerima. Banyak atom yang telah mengubah keadaannya diperoleh hanya jika frekuensi pemancar gelombang mikro bertepatan persis dengan frekuensi getaran cesium 9 192 631 770 hertz. Jika tidak, jumlah atom (-) di penerima berkurang.
Instrumen terus memantau dan menyesuaikan keteguhan frekuensi 9 192 631 770 hertz. Jadi, impian perancang jam tangan menjadi kenyataan, proses periodik yang benar-benar konstan ditemukan: frekuensi 9.192.631.770 hertz, yang mengatur jalannya jam atom.
Hari ini, sebagai hasil kesepakatan internasional, detik didefinisikan sebagai periode radiasi dikalikan dengan 9.192.631.770, sesuai dengan transisi antara dua tingkat struktural hiperhalus dari keadaan dasar atom cesium (isotop cesium-133).
Untuk mengukur waktu yang tepat, Anda juga dapat menggunakan getaran atom dan molekul lain, seperti atom kalsium, rubidium, sesium, strontium, molekul hidrogen, yodium, metana, dll. Namun, radiasi atom sesium diakui sebagai standar frekuensi. Untuk membandingkan getaran atom yang berbeda dengan standar (cesium), laser titanium-safir diciptakan yang menghasilkan rentang frekuensi yang luas dalam kisaran 400 hingga 1000 nm.
Pencipta pertama kuarsa dan jam atom adalah fisikawan eksperimental Inggris Essen Lewis (1908-1997). Pada tahun 1955, ia menciptakan standar frekuensi (waktu) atom pertama pada seberkas atom cesium. Sebagai hasil dari pekerjaan ini, 3 tahun kemudian (1958) layanan waktu muncul berdasarkan standar frekuensi atom.
Di Uni Soviet, Akademisi Nikolai Gennadievich Basov mengemukakan idenya untuk membuat jam atom.
Jadi, jam atom, salah satu jenis jam yang tepat adalah alat untuk mengukur waktu, di mana osilasi alami atom atau molekul digunakan sebagai pendulum. Stabilitas jam atom adalah yang terbaik di antara semua jenis jam yang ada, yang merupakan kunci akurasi tertinggi. Generator jam atom menghasilkan lebih dari 32.768 pulsa per detik, tidak seperti jam konvensional. Osilasi atom tidak bergantung pada suhu udara, getaran, kelembaban dan banyak faktor eksternal lainnya.
Di dunia modern, ketika navigasi sangat diperlukan, jam atom telah menjadi asisten yang sangat diperlukan. Mereka mampu menentukan lokasi pesawat ruang angkasa, satelit, rudal balistik, pesawat, kapal selam, mobil secara otomatis melalui komunikasi satelit.
Jadi, selama 50 tahun terakhir, jam atom, atau lebih tepatnya jam sesium, telah dianggap paling akurat. Mereka telah lama digunakan oleh layanan penunjuk waktu, dan sinyal waktu juga disiarkan oleh beberapa stasiun radio.
Perangkat jam atom mencakup 3 bagian: 
diskriminator kuantum,
osilator kuarsa,
kompleks elektronik.
Osilator kuarsa menghasilkan frekuensi (5 atau 10 MHz). Osilator adalah generator radio RC, di mana mode piezoelektrik kristal kuarsa digunakan sebagai elemen resonansi, di mana atom-atom yang telah mengubah keadaan (+) ke (-) dibandingkan.Untuk meningkatkan stabilitas, frekuensinya terus-menerus dibandingkan dengan osilasi diskriminator kuantum (atom atau molekul). Ketika ada perbedaan osilasi, elektronik menyesuaikan frekuensi osilator kuarsa ke nol, sehingga meningkatkan stabilitas dan akurasi arloji ke tingkat yang diinginkan.
Di dunia sekarang ini, jam atom dapat dibuat di negara manapun di dunia untuk digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Mereka sangat kecil dalam ukuran dan indah. Ukuran jam atom terbaru tidak lebih dari kotak korek api dan konsumsi dayanya yang rendah kurang dari 1 watt. Dan ini bukan batasnya, mungkin di masa depan kemajuan teknologi akan mencapai ponsel. Sementara itu, jam atom kompak dipasang hanya pada rudal strategis untuk meningkatkan akurasi navigasi berkali-kali lipat.
Saat ini, jam tangan atom pria dan wanita untuk setiap selera dan anggaran dapat dibeli di toko online.
Pada tahun 2011, jam atom terkecil di dunia diciptakan oleh Symmetricom dan Laboratorium Nasional Sandia. Jam tangan ini 100 kali lebih ringkas daripada versi sebelumnya yang tersedia secara komersial. Ukuran kronometer atom tidak lebih besar dari kotak korek api. Dibutuhkan 100 mW daya untuk beroperasi, yang 100 kali lebih kecil dari pendahulunya.
Dimungkinkan untuk mengurangi ukuran jam dengan memasang alih-alih pegas dan roda gigi mekanisme yang beroperasi berdasarkan prinsip penentuan frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh atom cesium di bawah pengaruh sinar laser dengan daya yang dapat diabaikan.
Jam seperti itu digunakan dalam navigasi, serta dalam pekerjaan penambang, penyelam, di mana perlu untuk menyinkronkan waktu secara akurat dengan rekan kerja di permukaan, serta layanan waktu yang akurat, karena kesalahan jam atom kurang dari 0,000001 pecahan. detik per hari. Biaya jam atom Symmetricom kecil yang memecahkan rekor adalah sekitar $1.500.
Dorongan baru dalam pengembangan perangkat untuk mengukur waktu diberikan oleh fisikawan atom.
Pada tahun 1949, jam atom pertama dibangun, di mana sumber osilasi bukanlah pendulum atau osilator kuarsa, tetapi sinyal yang terkait dengan transisi kuantum elektron antara dua tingkat energi atom.
Dalam praktiknya, jam seperti itu ternyata tidak terlalu akurat, apalagi jam itu besar dan mahal dan tidak banyak digunakan. Kemudian diputuskan untuk beralih ke unsur kimia - cesium. Dan pada tahun 1955, jam atom pertama berdasarkan atom cesium muncul.
Pada tahun 1967, diputuskan untuk beralih ke standar waktu atom, karena rotasi bumi melambat dan besarnya perlambatan ini tidak konstan. Ini sangat menghambat pekerjaan para astronom dan penjaga Waktu.
Bumi saat ini berputar dengan kecepatan sekitar 2 milidetik per 100 tahun.
Fluktuasi durasi hari juga mencapai seperseribu detik. Oleh karena itu, keakuratan Greenwich Mean Time (standar dunia sejak 1884) menjadi tidak mencukupi. Pada tahun 1967, transisi ke standar waktu atom terjadi.
Hari ini, satu detik adalah periode waktu yang persis sama dengan 9.192.631.770 periode radiasi, yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat hiperhalus dari keadaan dasar atom Cesium 133.
Saat ini, Coordinated Universal Time digunakan sebagai skala waktu. Ini dibentuk oleh Biro Berat dan Ukuran Internasional dengan menggabungkan data dari laboratorium penunjuk waktu dari berbagai negara, serta data dari Layanan Rotasi Bumi Internasional. Akurasinya hampir satu juta kali lebih baik daripada Greenwich Mean Time astronomis.
Sebuah teknologi telah dikembangkan yang akan memungkinkan untuk secara radikal mengurangi ukuran dan biaya jam atom ultra-presisi, yang akan memungkinkan untuk menggunakannya secara luas di perangkat seluler untuk berbagai tujuan. Para ilmuwan mampu menciptakan standar waktu atom dengan ukuran sangat kecil. Jam atom seperti itu mengkonsumsi kurang dari 0,075 W dan memiliki kesalahan tidak lebih dari satu detik dalam 300 tahun.
Sebuah tim peneliti AS telah berhasil menciptakan standar atom ultra-kompak. Menjadi mungkin untuk menyalakan jam atom dari baterai AA konvensional. Jam atom ultra-presisi, biasanya setinggi setidaknya satu meter, ditempatkan dalam volume 1,5x1,5x4 mm
Jam atom eksperimental berdasarkan ion merkuri tunggal telah dikembangkan di Amerika Serikat. Mereka lima kali lebih akurat daripada cesium, yang diterima sebagai standar internasional. Jam cesium sangat akurat sehingga perbedaan satu detik akan tercapai hanya setelah 70 juta tahun, dan untuk jam merkuri periode ini akan menjadi 400 juta tahun.
Pada tahun 1982, sebuah objek astronomi baru, sebuah pulsar milidetik, campur tangan dalam perselisihan antara definisi astronomi dari standar Waktu dan jam atom yang memenangkannya. Sinyal-sinyal ini sestabil jam atom terbaik
Tahukah kamu?
Jam tangan pertama di Rusia
Pada 1412, sebuah jam ditempatkan di Moskow di halaman Grand Duke di belakang Gereja Kabar Sukacita, dan Lazar, seorang biarawan Serbia yang berasal dari tanah Serbia, membuatnya. Sayangnya, deskripsi jam pertama di Rusia ini belum dilestarikan.
________Bagaimana lonceng muncul di Menara Spasskaya di Kremlin Moskow?
Pada abad ke-17, orang Inggris Christopher Galovey membuat lonceng untuk Menara Spasskaya: lingkaran jam dibagi menjadi 17 sektor, satu-satunya jarum jam tidak bergerak, menunjuk ke bawah dan menunjuk ke nomor berapa pun pada dial, tetapi dial itu sendiri berputar.
Seringkali kita mendengar ungkapan bahwa jam atom selalu menunjukkan waktu yang tepat. Tetapi dari namanya sulit untuk memahami mengapa jam atom adalah yang paling akurat atau bagaimana cara kerjanya.
Fakta bahwa namanya mengandung kata "atom" sama sekali tidak berarti bahwa arloji itu berbahaya bagi kehidupan, bahkan jika pikiran tentang bom atom atau pembangkit listrik tenaga nuklir langsung muncul di benak. Dalam hal ini, kita hanya berbicara tentang prinsip jam. Jika dalam jam mekanis biasa roda gigi membuat gerakan osilasi dan gerakannya dihitung, maka dalam jam atom osilasi elektron di dalam atom dihitung. Untuk lebih memahami prinsip operasi, mari kita ingat fisika partikel elementer.
Semua zat di dunia kita terdiri dari atom. Atom terdiri dari proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron bergabung satu sama lain untuk membentuk nukleus, yang juga disebut nukleon. Elektron bergerak di sekitar nukleus, yang dapat berada pada tingkat energi yang berbeda. Hal yang paling menarik adalah ketika menyerap atau melepaskan energi, sebuah elektron dapat berpindah dari tingkat energinya ke tingkat yang lebih tinggi atau lebih rendah. Sebuah elektron dapat menerima energi dari radiasi elektromagnetik dengan menyerap atau memancarkan radiasi elektromagnetik dengan frekuensi tertentu pada setiap transisi.
Paling sering ada jam tangan di mana atom elemen Cesium -133 digunakan untuk berubah. Jika dalam 1 sekon bandul jam tangan konvensional melakukan 1 gerak osilasi, maka elektron dalam jam atom berdasarkan Cesium-133, ketika berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya, mereka memancarkan radiasi elektromagnetik dengan frekuensi 9192631770 Hz. Ternyata satu detik dibagi menjadi jumlah interval ini, jika dihitung dalam jam atom. Nilai ini secara resmi diadopsi oleh masyarakat internasional pada tahun 1967. Bayangkan dial besar, di mana tidak ada 60, tetapi 9192631770 divisi, yang hanya 1 detik. Tidak mengherankan bahwa jam atom sangat akurat dan memiliki sejumlah keunggulan: atom tidak menua, tidak aus, dan frekuensi osilasi akan selalu sama untuk satu unsur kimia, yang memungkinkan untuk membandingkan secara simultan, untuk Misalnya, pembacaan jam atom jauh di luar angkasa dan di Bumi, tidak takut salah.
Berkat jam atom, umat manusia dalam praktiknya dapat menguji kebenaran teori relativitas dan memastikannya, daripada di Bumi. Jam atom dipasang di banyak satelit dan pesawat ruang angkasa, mereka digunakan untuk kebutuhan telekomunikasi, untuk komunikasi seluler, mereka membandingkan waktu yang tepat di seluruh planet. Tanpa berlebihan, berkat penemuan jam atom manusia bisa memasuki era teknologi tinggi.
Bagaimana cara kerja jam atom?
Cesium-133 dipanaskan dengan menguapkan atom cesium, yang dilewatkan melalui medan magnet, di mana atom dengan keadaan energi yang diinginkan dipilih.
Kemudian atom yang dipilih melewati medan magnet dengan frekuensi mendekati 9192631770 Hz, yang menciptakan osilator kuarsa. Di bawah pengaruh medan, atom cesium kembali mengubah keadaan energinya, dan jatuh pada detektor, yang menetapkan kapan jumlah atom masuk terbesar akan memiliki keadaan energi "benar". Jumlah maksimum atom dengan keadaan energi yang berubah menunjukkan bahwa frekuensi medan gelombang mikro dipilih dengan benar, dan kemudian nilainya dimasukkan ke dalam perangkat elektronik - pembagi frekuensi, yang, dengan mengurangi frekuensi dengan bilangan bulat berkali-kali, diperoleh nomor 1, yang merupakan referensi kedua.
Dengan demikian, atom cesium digunakan untuk memeriksa frekuensi yang benar dari medan magnet yang dihasilkan oleh osilator kristal, membantu menjaganya tetap konstan.
Ini menarik:
meskipun jam atom yang ada saat ini sangat akurat dan dapat berjalan tanpa kesalahan selama jutaan tahun, fisikawan tidak akan berhenti di situ. Menggunakan atom dari berbagai elemen kimia, mereka terus bekerja untuk meningkatkan akurasi jam atom. Dari penemuan terbaru - jam atom aktif strontium, yang tiga kali lebih akurat daripada rekan cesium mereka. Mereka akan membutuhkan waktu 15 miliar tahun untuk menjadi hanya sedetik di belakang – waktu yang lebih lama dari usia alam semesta kita…Jika Anda menemukan kesalahan, sorot sepotong teks dan klik Ctrl+Enter.
Jam atom presisi tinggi yang membuat kesalahan satu detik dalam 300 juta tahun. Jam ini, yang menggantikan model lama yang memiliki kesalahan satu detik dalam seratus juta tahun, sekarang menetapkan standar untuk waktu sipil Amerika. Lenta.ru memutuskan untuk mengingat sejarah penciptaan jam atom.
atom pertama
Untuk membuat jam, cukup menggunakan proses periodik apa pun. Dan sejarah munculnya alat pengukur waktu sebagian adalah sejarah munculnya sumber energi baru atau sistem osilasi baru yang digunakan dalam jam tangan. Jam paling sederhana mungkin adalah jam matahari, yang hanya membutuhkan matahari dan objek untuk menghasilkan bayangan untuk beroperasi. Kerugian dari metode penentuan waktu ini sudah jelas. Air dan jam pasir juga tidak lebih baik: mereka hanya cocok untuk mengukur periode waktu yang relatif singkat.
Jam mekanik tertua ditemukan pada tahun 1901 di dekat pulau Antikythera di atas kapal yang tenggelam di Laut Aegea. Mereka berisi sekitar 30 roda gigi perunggu dalam kotak kayu berukuran 33 kali 18 kali 10 sentimeter dan berasal dari sekitar 100 SM.
Selama hampir dua ribu tahun, jam tangan mekanik telah menjadi yang paling akurat dan dapat diandalkan. Kemunculan karya klasik Christian Huygens "Jam Pendulum" pada tahun 1657 ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrasi geometrica") dengan deskripsi perangkat referensi waktu dengan pendulum sebagai sistem berosilasi, mungkin merupakan apogee dalam sejarah perkembangan alat mekanis jenis ini.
Namun, para astronom dan navigator masih menggunakan langit berbintang dan peta untuk menentukan lokasi dan waktu yang tepat. Jam listrik pertama ditemukan pada tahun 1814 oleh Francis Ronalds. Namun, instrumen tersebut pertama tidak akurat karena kepekaannya terhadap perubahan suhu.
Sejarah lebih lanjut dari jam tangan terhubung dengan penggunaan sistem osilasi yang berbeda dalam perangkat. Diperkenalkan pada tahun 1927 oleh karyawan Bell Labs, jam tangan kuarsa menggunakan sifat piezoelektrik kristal kuarsa: ketika arus listrik diterapkan padanya, kristal mulai menyusut. Kronometer kuarsa modern dapat mencapai akurasi hingga 0,3 detik per bulan. Namun, karena kuarsa dapat mengalami penuaan, seiring waktu arloji menjadi kurang akurat.
Dengan perkembangan fisika atom, para ilmuwan mengusulkan penggunaan partikel materi sebagai sistem osilasi. Ini adalah bagaimana jam atom pertama kali muncul. Gagasan menggunakan getaran atom hidrogen untuk mengukur waktu diusulkan kembali pada tahun 1879 oleh fisikawan Inggris Lord Kelvin, tetapi ini menjadi mungkin hanya pada pertengahan abad ke-20.
Reproduksi lukisan oleh Hubert von Herkomer (1907)
Pada 1930-an, fisikawan Amerika dan penemu resonansi magnetik nuklir, Isidore Rabi, mulai mengerjakan jam atom cesium-133, tetapi pecahnya perang mencegahnya. Sudah setelah perang, pada tahun 1949, jam molekuler pertama yang menggunakan molekul amonia dibuat di Komite Standar Nasional AS dengan partisipasi Harold Lyonson. Tetapi instrumen pertama seperti itu untuk mengukur waktu tidak seakurat jam atom modern.
Akurasi yang relatif rendah disebabkan oleh fakta bahwa karena interaksi molekul amonia satu sama lain dan dengan dinding wadah tempat zat ini berada, energi molekul berubah dan garis spektrumnya melebar. Efek ini sangat mirip dengan gesekan pada jam tangan mekanis.
Kemudian, pada tahun 1955, Louis Esssen dari Laboratorium Fisika Nasional Inggris memperkenalkan jam atom cesium-133 pertama. Jam ini mengumpulkan kesalahan satu detik dalam sejuta tahun. Perangkat itu bernama NBS-1 dan mulai dianggap sebagai standar frekuensi sesium.
Diagram rangkaian jam atom terdiri dari osilator kristal yang dikendalikan oleh diskriminator umpan balik. Osilator menggunakan sifat piezoelektrik kuarsa, sedangkan diskriminator menggunakan getaran energi atom, sehingga getaran kuarsa dilacak oleh sinyal dari transisi dari tingkat energi yang berbeda dalam atom atau molekul. Antara generator dan diskriminator ada kompensator yang disetel ke frekuensi getaran atom dan membandingkannya dengan frekuensi getaran kristal.
Atom-atom yang digunakan dalam jam harus memberikan getaran yang stabil. Setiap frekuensi radiasi elektromagnetik memiliki atomnya sendiri: kalsium, strontium, rubidium, sesium, hidrogen. Atau bahkan molekul amonia dan yodium.
standar waktu
Dengan munculnya alat pengukur waktu atom, menjadi mungkin untuk menggunakannya sebagai standar universal untuk menentukan detik. Sejak 1884, waktu Greenwich, yang dianggap sebagai standar dunia, telah digantikan oleh standar jam atom. Pada tahun 1967, dengan keputusan Konferensi Umum Berat dan Ukuran ke-12, satu detik didefinisikan sebagai durasi 9192631770 periode radiasi yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat hiperhalus dari keadaan dasar atom cesium-133. Definisi satu detik ini tidak bergantung pada parameter astronomi dan dapat direproduksi di mana saja di planet ini. Cesium-133, yang digunakan dalam jam atom standar, adalah satu-satunya isotop cesium yang stabil dengan kelimpahan 100% di Bumi.
Jam atom juga digunakan dalam sistem navigasi satelit; mereka diperlukan untuk menentukan waktu dan koordinat satelit yang tepat. Jadi, setiap satelit dari sistem GPS memiliki empat set jam tersebut: dua rubidium dan dua cesium, yang memberikan akurasi transmisi sinyal 50 nanodetik. Satelit Rusia dari sistem GLONASS juga memiliki alat pengukur waktu atom cesium dan rubidium, dan satelit dari sistem geoposisi Eropa Galileo dilengkapi dengan hidrogen dan rubidium.
Akurasi jam hidrogen adalah yang tertinggi. Ini adalah 0,45 nanodetik dalam 12 jam. Tampaknya, penggunaan jam akurat oleh Galileo akan membawa sistem navigasi ini ke depan pada tahun 2015, ketika 18 satelitnya akan mengorbit.
Jam atom kompak
Hewlett-Packard adalah perusahaan pertama yang mengembangkan jam atom kompak. Pada tahun 1964, ia menciptakan instrumen cesium HP 5060A, seukuran koper besar. Perusahaan terus mengembangkan arah ini, tetapi sejak 2005 telah menjual divisi jam atomnya ke Symmetricom.
Pada tahun 2011, Draper Laboratories dan Sandia National Laboratories mengembangkan dan Symmetricom merilis jam atom mini Quantum pertama. Pada saat rilis, harganya sekitar 15 ribu dolar, terbungkus dalam wadah tertutup berukuran 40 kali 35 kali 11 milimeter dan beratnya 35 gram. Konsumsi daya jam tangan ini kurang dari 120 miliwatt. Awalnya, mereka dikembangkan atas perintah Pentagon dan dimaksudkan untuk melayani sistem navigasi yang berfungsi secara independen dari sistem GPS, misalnya, jauh di bawah air atau darat.
Sudah pada akhir 2013, perusahaan Amerika Bathys Hawaii memperkenalkan jam atom "pergelangan tangan" pertama. Mereka menggunakan chip SA.45s yang diproduksi oleh Symmetricom sebagai komponen utama. Di dalam chip ada kapsul dengan cesium-133. Desain jam tangan juga mencakup fotosel dan laser berdaya rendah. Yang terakhir memberikan pemanasan cesium gas, sebagai akibatnya atom-atomnya mulai bergerak dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Pengukuran waktu hanya dilakukan dengan memperbaiki transisi seperti itu. Biaya perangkat baru sekitar 12 ribu dolar.
Tren ke arah miniaturisasi, otonomi, dan akurasi akan mengarah pada fakta bahwa dalam waktu dekat akan ada perangkat baru yang menggunakan jam atom di semua bidang kehidupan manusia, mulai dari penelitian luar angkasa tentang satelit dan stasiun yang mengorbit hingga aplikasi domestik di sistem dalam ruangan dan pergelangan tangan.
