relógio atômico
Se avaliarmos a precisão dos relógios de quartzo do ponto de vista de sua estabilidade a curto prazo, deve-se dizer que essa precisão é muito maior do que a dos relógios de pêndulo, que, no entanto, mostram uma maior estabilidade de taxa durante o longo prazo. Medidas. Nos relógios de quartzo, a irregularidade é causada por mudanças na estrutura interna do quartzo e pela instabilidade dos sistemas eletrônicos.
A principal fonte de violação da estabilidade de frequência é o envelhecimento do cristal de quartzo, que sincroniza a frequência do oscilador. É verdade que as medições mostraram que o envelhecimento do cristal, acompanhado por um aumento na frequência, ocorre sem grandes flutuações e mudanças abruptas. Apesar de. isso, o envelhecimento, interrompe o funcionamento correto de um relógio de quartzo e determina a necessidade de monitoramento regular por outro dispositivo com um oscilador com uma resposta de frequência estável e inalterada.
O rápido desenvolvimento da espectroscopia de microondas após a Segunda Guerra Mundial abriu novas possibilidades no campo da medição precisa do tempo por meio de frequências correspondentes a linhas espectrais adequadas. Essas frequências, que poderiam ser consideradas padrões de frequência, levaram à ideia de usar um gerador quântico como padrão de tempo.
Esta decisão foi uma virada histórica na história da cronometria, pois significou a substituição da unidade de tempo astronômico anteriormente válida por uma nova unidade de tempo quântico. Esta nova unidade de tempo foi introduzida como o período de radiação de transições precisamente definidas entre os níveis de energia das moléculas de certas substâncias especialmente selecionadas. Após estudos intensivos deste problema nos primeiros anos do pós-guerra, foi possível construir um dispositivo que funcionasse segundo o princípio de absorção controlada de energia de micro-ondas em amônia líquida a pressões muito baixas. No entanto, os primeiros experimentos com um dispositivo equipado com um elemento de absorção não deram os resultados esperados, pois o alargamento da linha de absorção causado por colisões mútuas de moléculas dificultava a determinação da frequência da própria transição quântica. Somente pelo método de um feixe estreito de moléculas de amônia voando livremente na URSS A.M. Prokhorov e N. G. Basov e nos EUA Towns da Columbia University conseguiram reduzir significativamente a probabilidade de colisões mútuas de moléculas e praticamente eliminar o alargamento da linha espectral. Nessas circunstâncias, as moléculas de amônia já poderiam desempenhar o papel de um gerador atômico. Um feixe estreito de moléculas, que entra através de um bocal em um espaço de vácuo, passa por um campo eletrostático não homogêneo no qual ocorre a separação de moléculas. Moléculas em um estado quântico superior foram enviadas para um ressonador sintonizado, onde emitem energia eletromagnética a uma frequência constante de 23.870.128.825 Hz. Esta frequência é então comparada com a frequência de um oscilador de quartzo incluído no circuito do relógio atômico. O primeiro gerador quântico, o maser de amônia (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), foi construído com base nesse princípio.
N.G. Basov, A. M. Prokhorov e Townes receberam o Prêmio Nobel de Física em 1964 por esses trabalhos.
A estabilidade de frequência dos masers de amônia também foi estudada por cientistas da Suíça, Japão, Alemanha, Grã-Bretanha, França e, por último, mas não menos importante, da Tchecoslováquia. No período 1968-1979. No Instituto de Engenharia de Rádio e Eletrônica da Academia de Ciências da Tchecoslováquia, vários masers de amônia foram construídos e colocados em operação experimental, que serviram como padrões de frequência para manter o tempo preciso em relógios atômicos fabricados na Tchecoslováquia. Eles alcançaram uma estabilidade de frequência da ordem de 10-10, o que corresponde a uma variação diária da taxa de 20 milionésimos de segundo.
Atualmente, os padrões atômicos de frequência e tempo são usados principalmente para dois propósitos principais - para medir o tempo e para calibrar e controlar os padrões básicos de frequência. Em ambos os casos, a frequência do gerador de relógio de quartzo é comparada com a frequência do padrão atômico.
Ao medir o tempo, a frequência do padrão atômico e a frequência do gerador de relógio de cristal são comparadas regularmente, e a interpolação linear e a correção do tempo médio são determinadas a partir dos desvios detectados. O tempo real é então obtido a partir da soma das leituras do relógio de quartzo e dessa correção de tempo médio. Neste caso, o erro resultante da interpolação é determinado pela natureza do envelhecimento do cristal do relógio de quartzo.
Os resultados excepcionais alcançados com os padrões de tempo atômico, com um erro de apenas 1 s em mil anos inteiros, fizeram com que na 13ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, realizada em Paris em outubro de 1967, uma nova definição da unidade de o tempo foi dado - um segundo atômico, que agora foi definido como 9.192.631.770 oscilações da radiação do átomo de césio-133.
Como indicamos acima, com o envelhecimento de um cristal de quartzo, a frequência de oscilação do oscilador de quartzo aumenta gradualmente e a diferença entre as frequências do quartzo e do oscilador atômico aumenta continuamente. Se a curva de envelhecimento do cristal estiver correta, basta corrigir as flutuações de quartzo apenas periodicamente, pelo menos em intervalos de vários dias. Assim, o oscilador atômico não precisa estar permanentemente conectado ao sistema de relógio de quartzo, o que é muito vantajoso, pois a penetração de influências interferentes no sistema de medição é limitada.
O relógio atômico suíço com dois osciladores moleculares de amônia, demonstrado na Exposição Mundial de Bruxelas em 1958, atingiu uma precisão de cem milésimos de segundo por dia, o que supera a precisão dos relógios de pêndulo precisos em cerca de mil vezes. Essa precisão já permite estudar instabilidades periódicas na velocidade de rotação do eixo da Terra. O gráfico da fig. 39, que é, por assim dizer, uma imagem do desenvolvimento histórico dos instrumentos cronométricos e do aperfeiçoamento dos métodos de medição do tempo, mostra como, quase milagrosamente, a precisão da medição do tempo aumentou ao longo de vários séculos. Somente nos últimos 300 anos, essa precisão aumentou mais de 100.000 vezes.
Arroz. 39. Precisão dos instrumentos cronométricos no período de 1930 a 1950
O químico Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) foi o primeiro a descobrir o césio, cujos átomos, sob condições apropriadamente escolhidas, são capazes de absorver radiação eletromagnética com uma frequência de cerca de 9192 MHz. Esta propriedade foi usada por Sherwood e McCracken para criar o primeiro ressonador de feixe de césio. L. Essen, que trabalhou no National Physical Laboratory na Inglaterra, direcionou seus esforços para o uso prático do ressonador de césio para medir frequências e tempo. Em colaboração com o grupo astronômico "United States Navel Observatory" ele já em 1955-1958. determinou a frequência de transição quântica do césio em 9.192.631.770 Hz e a associou com a então definição atual do segundo da efeméride, que muito mais tarde, como indicado acima, levou ao estabelecimento de uma nova definição da unidade de tempo. Os seguintes ressonadores de césio foram projetados no Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá em Ottawa, no laboratório Suisse de Rechers Horlogères em Neuchâtel, e outros. Walden" em Massachusetts.
A complexidade dos relógios atômicos sugere que o uso de osciladores atômicos só é possível no campo da medição de tempo em laboratório, realizada com grandes aparelhos de medição. Na verdade, isso tem sido o caso até recentemente. No entanto, a miniaturização também penetrou nessa área. A conhecida empresa japonesa Seiko-Hattori, que produz cronógrafos complexos com osciladores de cristal, ofereceu o primeiro relógio atômico de pulso, novamente feito em cooperação com a empresa americana McDonnell Douglas Astronautics Company. Esta empresa também fabrica uma célula de combustível em miniatura, que é a fonte de energia para os relógios mencionados. A energia elétrica neste elemento com um tamanho de 13? 6,4 mm produz o radioisótopo promécio-147; A vida útil deste elemento é de cinco anos. A caixa do relógio, feita de tântalo e aço inoxidável, é proteção suficiente contra os raios beta do elemento emitidos no ambiente.
Medições astronômicas, o estudo do movimento dos planetas no espaço e várias investigações radioastronômicas são agora indispensáveis sem o conhecimento do tempo exato. A precisão exigida em tais casos de relógios de quartzo ou atômicos flutua em milionésimos de segundo. Com a crescente precisão das informações de tempo fornecidas, os problemas de sincronização do relógio aumentaram. O método outrora satisfatório de sinais de tempo transmitidos por rádio em ondas curtas e longas mostrou-se insuficientemente preciso para sincronizar dois instrumentos cronométricos próximos com uma precisão superior a 0,001 s, e agora mesmo esse grau de precisão não é mais satisfatório.
Uma das soluções possíveis - o transporte de relógios auxiliares para o local de medições comparativas - foi proporcionada pela miniaturização de elementos eletrônicos. No início dos anos 60, foram construídos relógios especiais de quartzo e atômicos que podiam ser transportados por aeronaves. Eles podiam ser transportados entre laboratórios astronômicos e, ao mesmo tempo, davam informações de tempo com uma precisão de um milionésimo de segundo. Assim, por exemplo, quando em 1967 foi realizado um transporte intercontinental de um relógio de césio em miniatura fabricado pela empresa californiana Hewlett-Packard, esse dispositivo passou por 53 laboratórios do mundo (também foi na Tchecoslováquia), e com sua ajuda o o curso dos relógios locais foi sincronizado com uma precisão de 0,1 µs (0,0000001 s).
Os satélites de comunicação também podem ser usados para comparação de tempo de microssegundos. Em 1962, a Grã-Bretanha e os Estados Unidos da América usaram esse método transmitindo um sinal de tempo através do satélite Telestar. Resultados muito mais favoráveis a um custo menor, no entanto, foram alcançados pela transmissão de sinais usando a tecnologia de televisão.
Este método de transmissão de tempo e frequência precisos usando pulsos de sincronização de televisão foi desenvolvido e desenvolvido em instituições científicas da Tchecoslováquia. Um portador auxiliar de informação sobre o tempo aqui é a sincronização de pulsos de vídeo, que de forma alguma atrapalham a transmissão de um programa de televisão. Neste caso, não há necessidade de introduzir quaisquer impulsos adicionais no sinal de imagem de televisão.
A condição para usar este método é que o mesmo programa de TV possa ser recebido nos locais dos relógios que estão sendo comparados. Os relógios comparados são pré-ajustados com uma precisão de alguns milissegundos, e a medição deve então ser feita em todas as estações de medição simultaneamente. Além disso, é necessário conhecer a diferença de tempo necessária para a transmissão de pulsos de clock de uma fonte comum, que é um sincronizador de televisão, para receptores na localização dos clocks comparados.
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Em primeiro lugar, o relógio usa a humanidade como meio de controle do tempo do programa.
Em segundo lugar, hoje a medição do tempo também é o tipo de medição mais preciso de todos os realizados: a precisão da medição do tempo agora é determinada por um erro incrível da ordem de 1 10-11%, ou 1 s em 300 mil anos.
E as pessoas modernas alcançaram tal precisão quando começaram a usar átomos, que, como resultado de suas oscilações, são o regulador do relógio atômico. Os átomos de césio estão nos dois estados de energia que precisamos (+) e (-). A radiação eletromagnética com uma frequência de 9.192.631.770 hertz é produzida quando os átomos passam do estado (+) para (-), criando um processo periódico constante preciso - o controlador do código do relógio atômico.
Para que os relógios atômicos funcionem com precisão, o césio deve ser evaporado em um forno, o que faz com que seus átomos sejam ejetados. Atrás do forno há um ímã de triagem, que tem capacidade de átomos no estado (+), e nele, devido à irradiação em um campo de micro-ondas, os átomos passam para o estado (-). O segundo ímã direciona os átomos que mudaram de estado (+) para (-) para o dispositivo receptor. Muitos átomos que mudaram de estado são obtidos apenas se a frequência do emissor de micro-ondas coincidir exatamente com a frequência das vibrações do césio 9 192 631 770 hertz. Caso contrário, o número de átomos (-) no receptor diminui.
Os instrumentos monitoram e ajustam constantemente a constância da frequência 9 192 631 770 hertz. Assim, o sonho dos designers de relógios se tornou realidade, um processo periódico absolutamente constante foi encontrado: uma frequência de 9.192.631.770 hertz, que regula o curso dos relógios atômicos.
Hoje, por acordo internacional, o segundo é definido como o período de radiação multiplicado por 9.192.631.770, correspondente à transição entre dois níveis estruturais hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio (isótopo de césio-133).
Para medir o tempo exato, você também pode usar vibrações de outros átomos e moléculas, como átomos de cálcio, rubídio, césio, estrôncio, moléculas de hidrogênio, iodo, metano, etc. padrão de frequência. Para comparar as vibrações de diferentes átomos com um padrão (césio), foi criado um laser de titânio-safira que gera uma ampla faixa de frequência na faixa de 400 a 1000 nm.
O primeiro criador de relógios de quartzo e atômicos foi um físico experimental inglês Essen Lewis (1908-1997). Em 1955, ele criou o primeiro padrão de frequência atômica (tempo) em um feixe de átomos de césio. Como resultado deste trabalho, 3 anos depois (1958) surgiu um serviço de tempo baseado no padrão de frequência atômica.
Na URSS, o acadêmico Nikolai Gennadievich Basov apresentou suas ideias para a criação de relógios atômicos.
Então, relógio atômico, um dos tipos exatos de relógios é um dispositivo para medir o tempo, onde as oscilações naturais de átomos ou moléculas são usadas como um pêndulo. A estabilidade dos relógios atômicos é a melhor entre todos os tipos de relógios existentes, que é a chave para a mais alta precisão. O gerador de relógio atômico produz mais de 32.768 pulsos por segundo, ao contrário dos relógios convencionais. As oscilações dos átomos não dependem da temperatura do ar, vibrações, umidade e muitos outros fatores externos.
No mundo moderno, quando a navegação é simplesmente indispensável, os relógios atômicos tornaram-se assistentes indispensáveis. Eles são capazes de determinar a localização de uma nave espacial, satélite, míssil balístico, aeronave, submarino, carro automaticamente através de comunicações via satélite.
Assim, nos últimos 50 anos, os relógios atômicos, ou melhor, os relógios de césio, têm sido considerados os mais precisos. Eles são usados há muito tempo pelos serviços de cronometragem, e os sinais de tempo também são transmitidos por algumas estações de rádio.
O dispositivo de relógio atômico inclui 3 partes: 
discriminador quântico,
oscilador de quartzo,
complexo eletrônico.
Um oscilador de quartzo gera uma frequência (5 ou 10 MHz). O oscilador é um gerador de rádio RC, no qual os modos piezoelétricos de um cristal de quartzo são usados como elemento ressonante, onde são comparados os átomos que mudaram de estado (+) para (-). comparado com as oscilações de um discriminador quântico (átomos ou moléculas). Quando há uma diferença nas oscilações, a eletrônica ajusta a frequência do oscilador de quartzo para zero, aumentando assim a estabilidade e a precisão do relógio para o nível desejado.
No mundo de hoje, os relógios atômicos podem ser feitos em qualquer país do mundo para uso na vida cotidiana. Eles são muito pequenos em tamanho e bonitos. O tamanho da última novidade dos relógios atômicos não passa de uma caixa de fósforos e seu baixo consumo de energia é inferior a 1 watt. E este não é o limite, talvez no futuro o progresso tecnológico chegue aos telefones celulares. Enquanto isso, relógios atômicos compactos são instalados apenas em mísseis estratégicos para aumentar muitas vezes a precisão da navegação.
Hoje, relógios atômicos masculinos e femininos para todos os gostos e bolsos podem ser comprados em lojas online.
Em 2011, o menor relógio atômico do mundo foi criado pela Symmetricom e pelo Sandia National Laboratory. Este relógio é 100 vezes mais compacto do que as versões anteriores disponíveis comercialmente. O tamanho de um cronômetro atômico não é maior que uma caixa de fósforos. Ele precisa de 100 mW de potência para operar, o que é 100 vezes menor que seus antecessores.
Foi possível reduzir o tamanho do relógio instalando em vez de molas e engrenagens um mecanismo que funciona com o princípio de determinar a frequência das ondas eletromagnéticas emitidas por átomos de césio sob a influência de um feixe de laser de potência desprezível.
Esses relógios são usados na navegação, bem como no trabalho de mineiros, mergulhadores, onde é necessário sincronizar com precisão o tempo com os colegas na superfície, bem como serviços de tempo precisos, porque o erro dos relógios atômicos é inferior a 0,000001 frações de um segundo por dia. O custo do pequeno relógio atômico Symmetricom, que quebrou o recorde, foi de cerca de US$ 1.500.
Um novo impulso no desenvolvimento de dispositivos para medir o tempo foi dado pelos físicos atômicos.
Em 1949, foi construído o primeiro relógio atômico, onde a fonte das oscilações não era um pêndulo ou um oscilador de quartzo, mas sinais associados à transição quântica de um elétron entre dois níveis de energia de um átomo.
Na prática, esses relógios não eram muito precisos, além disso, eram volumosos e caros e não eram amplamente utilizados. Então decidiu-se recorrer ao elemento químico - césio. E em 1955, apareceu o primeiro relógio atômico baseado em átomos de césio.
Em 1967, decidiu-se mudar para o padrão de tempo atômico, uma vez que a rotação da Terra está diminuindo e a magnitude dessa desaceleração não é constante. Isso dificultou muito o trabalho dos astrônomos e guardiões do Tempo.
A Terra está girando atualmente a uma taxa de cerca de 2 milissegundos por 100 anos.
As flutuações na duração do dia também chegam a milésimos de segundo. Portanto, a precisão do Greenwich Mean Time (o padrão mundial desde 1884) tornou-se insuficiente. Em 1967, ocorreu a transição para o padrão de tempo atômico.
Hoje, um segundo é um período de tempo exatamente igual a 9.192.631.770 períodos de radiação, que corresponde à transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de Césio 133.
Atualmente, o Tempo Universal Coordenado é usado como escala de tempo. É formado pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas, combinando dados dos laboratórios de cronometragem de vários países, bem como dados do Serviço Internacional de Rotação da Terra. Sua precisão é quase um milhão de vezes melhor do que o astronômico Greenwich Mean Time.
Foi desenvolvida uma tecnologia que permitirá reduzir radicalmente o tamanho e o custo dos relógios atômicos ultraprecisos, o que permitirá sua ampla utilização em dispositivos móveis para diversos fins. Os cientistas foram capazes de criar um padrão de tempo atômico de tamanho ultra-pequeno. Esses relógios atômicos consomem menos de 0,075 W e têm um erro de não mais de um segundo em 300 anos.
Uma equipe de pesquisa dos EUA conseguiu criar um padrão atômico ultracompacto. Tornou-se possível alimentar relógios atômicos a partir de baterias AA convencionais. Relógios atômicos ultraprecisos, geralmente com pelo menos um metro de altura, foram colocados em um volume de 1,5x1,5x4 mm
Um relógio atômico experimental baseado em um único íon de mercúrio foi desenvolvido nos Estados Unidos. Eles são cinco vezes mais precisos que o césio, que é aceito como padrão internacional. Os relógios de césio são tão precisos que uma diferença de um segundo só será alcançada após 70 milhões de anos, e para os relógios de mercúrio esse período será de 400 milhões de anos.
Em 1982, um novo objeto astronômico, um pulsar de milissegundos, interveio na disputa entre a definição astronômica do padrão de tempo e o relógio atômico que o venceu. Esses sinais são tão estáveis quanto os melhores relógios atômicos
Você sabia?
O primeiro relógio na Rússia
Em 1412, um relógio foi colocado em Moscou no pátio do Grão-Duque atrás da Igreja da Anunciação, e Lazar, um monge sérvio que veio da terra sérvia, os fez. Infelizmente, a descrição desses primeiros relógios na Rússia não foi preservada.
________Como os sinos apareceram na Torre Spasskaya do Kremlin de Moscou?
No século XVII, o inglês Christopher Galovey fez carrilhões para a Torre Spasskaya: o círculo das horas era dividido em 17 setores, o único ponteiro do relógio estava imóvel, apontando para baixo e apontando para qualquer número no mostrador, mas o próprio mostrador girava.
Muitas vezes ouvimos a frase de que os relógios atômicos sempre mostram a hora exata. Mas pelo nome deles é difícil entender por que os relógios atômicos são os mais precisos ou como eles funcionam.
O fato de o nome conter a palavra "atômica" não significa que o relógio seja um perigo para a vida, mesmo que os pensamentos de uma bomba atômica ou uma usina nuclear venham imediatamente à mente. Neste caso, estamos apenas falando sobre o princípio do relógio. Se em um relógio mecânico comum as engrenagens fazem movimentos oscilatórios e seus movimentos são contados, então nos relógios atômicos as oscilações dos elétrons dentro dos átomos são contadas. Para entender melhor o princípio de funcionamento, vamos relembrar a física das partículas elementares.
Todas as substâncias em nosso mundo são feitas de átomos. Os átomos são formados por prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons se combinam para formar um núcleo, que também é chamado de nucleon. Os elétrons se movem ao redor do núcleo, que pode estar em diferentes níveis de energia. O mais interessante é que ao absorver ou liberar energia, um elétron pode passar de seu nível de energia para um nível mais alto ou mais baixo. Um elétron pode receber energia da radiação eletromagnética absorvendo ou emitindo radiação eletromagnética de uma certa frequência em cada transição.
Na maioria das vezes, há relógios nos quais os átomos do elemento Césio -133 são usados para mudar. Se em 1 segundo o pêndulo relógios convencionais faz 1 movimento oscilatório, então os elétrons em relógios atômicos com base no césio-133, ao passar de um nível de energia para outro, emitem radiação eletromagnética com uma frequência de 9192631770 Hz. Acontece que um segundo é dividido exatamente nesse número de intervalos, se for calculado em relógios atômicos. Esse valor foi adotado oficialmente pela comunidade internacional em 1967. Imagine um mostrador enorme, onde não há 60, mas 9192631770 divisões, que são apenas 1 segundo. Não é de surpreender que os relógios atômicos sejam tão precisos e tenham uma série de vantagens: os átomos não envelhecem, não se desgastam e a frequência de oscilação será sempre a mesma para um elemento químico, o que permite comparar simultaneamente, por por exemplo, as leituras de relógios atômicos distantes no espaço e na Terra, sem medo de erros.
Graças aos relógios atômicos, a humanidade na prática foi capaz de testar a exatidão da teoria da relatividade e certificar-se de que, do que na Terra. Os relógios atômicos são instalados em muitos satélites e naves espaciais, são usados para necessidades de telecomunicações, para comunicações móveis, comparam a hora exata em todo o planeta. Sem exagero, foi graças à invenção do relógio atômico que a humanidade conseguiu entrar na era da alta tecnologia.
Como funcionam os relógios atômicos?
O césio-133 é aquecido pela evaporação de átomos de césio, que passam por um campo magnético, onde são selecionados átomos com os estados de energia desejados.
Em seguida, os átomos selecionados passam por um campo magnético com frequência próxima a 9192631770 Hz, o que cria um oscilador de quartzo. Sob a influência do campo, os átomos de césio novamente mudam seus estados de energia e caem no detector, que fixa quando o maior número de átomos que chegam terá o estado de energia “correto”. O número máximo de átomos com um estado de energia alterado indica que a frequência do campo de micro-ondas é escolhida corretamente e, em seguida, seu valor é alimentado em um dispositivo eletrônico - um divisor de frequência, que, reduzindo a frequência por um número inteiro de vezes, obtém o número 1, que é o segundo de referência.
Assim, os átomos de césio são usados para verificar a frequência correta do campo magnético produzido pelo oscilador de cristal, ajudando a mantê-lo constante.
É interessante:
embora os relógios atômicos que existem hoje tenham uma precisão sem precedentes e possam funcionar sem erros por milhões de anos, os físicos não vão parar por aí. Usando átomos de vários elementos químicos, eles trabalham constantemente para melhorar a precisão dos relógios atômicos. Das últimas invenções - relógios atômicos em estrôncio, que são três vezes mais precisos do que sua contraparte de césio. Eles levariam 15 bilhões de anos para estarem apenas um segundo atrás – um tempo maior que a idade do nosso universo…Se você encontrar um erro, destaque um pedaço de texto e clique em Ctrl+Enter.
Relógios atômicos de alta precisão que cometem um erro de um segundo em 300 milhões de anos. Este relógio, que substituiu um modelo antigo que estava errado em um segundo em cem milhões de anos, agora define o padrão para o horário civil americano. Lenta.ru decidiu relembrar a história da criação dos relógios atômicos.
Primeiro átomo
Para criar um relógio, basta usar qualquer processo periódico. E a história do surgimento dos instrumentos de medição do tempo é, em parte, a história do surgimento de novas fontes de energia ou de novos sistemas oscilatórios usados em relógios. O relógio mais simples é provavelmente o relógio do sol, exigindo apenas o sol e um objeto para lançar uma sombra para funcionar. As desvantagens deste método de determinar o tempo são óbvias. A água e as ampulhetas também não são melhores: são adequadas apenas para medir períodos de tempo relativamente curtos.
O relógio mecânico mais antigo foi encontrado em 1901 perto da ilha de Antikythera em um navio afundado no Mar Egeu. Eles contêm cerca de 30 engrenagens de bronze em uma caixa de madeira medindo 33 por 18 por 10 centímetros e datam de cerca de 100 aC.
Por quase dois mil anos, os relógios mecânicos têm sido os mais precisos e confiáveis. O aparecimento em 1657 da obra clássica de Christian Huygens "Pendulum Clock" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrations geometrica") com a descrição de um dispositivo de referência de tempo com um pêndulo como sistema oscilante, foi provavelmente o apogeu na história do desenvolvimento de dispositivos mecânicos deste tipo.
No entanto, astrônomos e navegadores ainda usavam o céu estrelado e mapas para determinar sua localização e hora exata. O primeiro relógio elétrico foi inventado em 1814 por Francis Ronalds. No entanto, o primeiro instrumento desse tipo era impreciso devido à sua sensibilidade às mudanças de temperatura.
A história posterior dos relógios está ligada ao uso de diferentes sistemas oscilatórios nos dispositivos. Introduzidos em 1927 por funcionários da Bell Labs, os relógios de quartzo usavam as propriedades piezoelétricas de um cristal de quartzo: quando uma corrente elétrica é aplicada a ele, o cristal começa a encolher. Os modernos cronômetros de quartzo podem atingir uma precisão de até 0,3 segundos por mês. No entanto, como o quartzo está sujeito ao envelhecimento, com o tempo o relógio torna-se menos preciso.
Com o desenvolvimento da física atômica, os cientistas propuseram o uso de partículas de matéria como sistemas oscilatórios. Foi assim que surgiu o primeiro relógio atômico. A ideia de usar vibrações atômicas de hidrogênio para medir o tempo foi sugerida em 1879 pelo físico inglês Lord Kelvin, mas isso só se tornou possível em meados do século XX.
Reprodução de uma pintura de Hubert von Herkomer (1907)
Na década de 1930, o físico americano e descobridor da ressonância magnética nuclear, Isidore Rabi, começou a trabalhar em relógios atômicos de césio-133, mas a eclosão da guerra o impediu. Já depois da guerra, em 1949, o primeiro relógio molecular usando moléculas de amônia foi criado no Comitê Nacional de Padrões dos EUA com a participação de Harold Lyonson. Mas os primeiros instrumentos para medir o tempo não eram tão precisos quanto os relógios atômicos modernos.
A precisão relativamente baixa deveu-se ao fato de que devido à interação das moléculas de amônia entre si e com as paredes do recipiente em que essa substância estava localizada, a energia das moléculas mudou e suas linhas espectrais se alargaram. Este efeito é muito semelhante ao atrito em um relógio mecânico.
Mais tarde, em 1955, Louis Essen, do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido, apresentou o primeiro relógio atômico de césio-133. Este relógio acumulou um erro de um segundo em um milhão de anos. O dispositivo recebeu o nome de NBS-1 e passou a ser considerado um padrão de frequência de césio.
O diagrama de circuito de um relógio atômico consiste em um oscilador de cristal controlado por um discriminador de feedback. O oscilador usa as propriedades piezoelétricas do quartzo, enquanto o discriminador usa as vibrações energéticas dos átomos, de modo que as vibrações do quartzo são rastreadas por sinais de transições de diferentes níveis de energia em átomos ou moléculas. Entre o gerador e o discriminador existe um compensador sintonizado com a frequência das vibrações atômicas e comparando-a com a frequência de vibração do cristal.
Os átomos usados no relógio devem fornecer vibrações estáveis. Cada frequência de radiação eletromagnética tem seus próprios átomos: cálcio, estrôncio, rubídio, césio, hidrogênio. Ou mesmo moléculas de amônia e iodo.
padrão de tempo
Com o advento dos instrumentos de medição do tempo atômico, tornou-se possível utilizá-los como padrão universal para a determinação do segundo. Desde 1884, o horário de Greenwich, considerado o padrão mundial, deu lugar ao padrão dos relógios atômicos. Em 1967, por decisão da 12ª Conferência Geral de Pesos e Medidas, um segundo foi definido como a duração de 9192631770 períodos de radiação correspondentes à transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133. Essa definição de segundo não depende de parâmetros astronômicos e pode ser reproduzida em qualquer lugar do planeta. O césio-133, usado no relógio atômico padrão, é o único isótopo estável de césio com 100% de abundância na Terra.
Os relógios atômicos também são usados no sistema de navegação por satélite; eles são necessários para determinar a hora exata e as coordenadas do satélite. Assim, cada satélite do sistema GPS possui quatro conjuntos desses relógios: dois de rubídio e dois de césio, que proporcionam uma precisão de transmissão do sinal de 50 nanossegundos. Os satélites russos do sistema GLONASS também possuem instrumentos de medição de tempo atômico de césio e rubídio, e os satélites do sistema europeu de geoposicionamento Galileo estão equipados com instrumentos de hidrogênio e rubídio.
A precisão dos relógios de hidrogênio é a mais alta. São 0,45 nanossegundos em 12 horas. Ao que tudo indica, o uso de relógios tão precisos pelo Galileo trará esse sistema de navegação à tona em 2015, quando seus 18 satélites estarão em órbita.
Relógio atômico compacto
A Hewlett-Packard foi a primeira empresa a desenvolver um relógio atômico compacto. Em 1964, ela criou o instrumento de césio HP 5060A, do tamanho de uma mala grande. A empresa continuou a desenvolver essa direção, mas desde 2005 vendeu sua divisão de relógios atômicos para a Symmetricom.
Em 2011, Draper Laboratories e Sandia National Laboratories desenvolveram e a Symmetricom lançou o primeiro relógio atômico em miniatura Quantum. Na época do lançamento, custavam cerca de 15 mil dólares, estavam dentro de uma caixa lacrada medindo 40 por 35 por 11 milímetros e pesavam 35 gramas. O consumo de energia do relógio foi inferior a 120 miliwatts. Inicialmente, foram desenvolvidos por ordem do Pentágono e destinavam-se a servir sistemas de navegação que funcionam independentemente dos sistemas GPS, por exemplo, em águas profundas ou em terra.
Já no final de 2013, a empresa americana Bathys Hawaii apresentou o primeiro relógio atômico de “pulso”. Eles usam o chip SA.45s fabricado pela Symmetricom como componente principal. Dentro do chip há uma cápsula com césio-133. O design do relógio também inclui fotocélulas e um laser de baixa potência. Este último fornece aquecimento de césio gasoso, como resultado do qual seus átomos começam a se mover de um nível de energia para outro. A medição do tempo é feita apenas fixando tal transição. O custo do novo dispositivo é de cerca de 12 mil dólares.
As tendências de miniaturização, autonomia e precisão levarão ao fato de que em um futuro próximo haverá novos dispositivos usando relógios atômicos em todas as áreas da vida humana, desde pesquisas espaciais em satélites e estações em órbita até aplicações domésticas em sistemas internos e de pulso.
