Napansin mo na ba na ang iyong orasan sa bahay ay nagpapakita ng iba't ibang oras? At paano maunawaan kung alin sa lahat ng mga pagpipilian ang tama? Malalaman natin ang mga sagot sa lahat ng mga tanong na ito sa pamamagitan ng masusing pag-aaral sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga atomic na orasan.

Atomic clock: paglalarawan at prinsipyo ng pagpapatakbo

Unawain muna natin kung ano ang mekanismo ng isang atomic clock. Ang atomic clock ay isang device na sumusukat ng oras, ngunit ginagamit nito ang sarili nitong mga vibrations bilang periodicity ng proseso, at lahat ay nangyayari sa atomic at molekular na antas. Kaya ang katumpakan.

Ligtas na sabihin na ang mga atomic na orasan ay ang pinakatumpak! Ito ay salamat sa kanila na ang Internet at GPS navigation function sa mundo, alam namin ang eksaktong lokasyon ng mga planeta sa solar system. Ang error ng device na ito ay napakaliit na maaari naming kumpiyansa na sabihin na ang mga ito ay world-class! Salamat sa mga atomic na orasan, nagaganap ang buong pag-synchronize ng mundo, alam kung saan matatagpuan ang ilang mga pagbabago.

Sino ang nag-imbento, sino ang lumikha, at sino rin ang nakaisip ng himalang relo na ito?

Bumalik sa unang bahagi ng apatnapu't ng ikadalawampu siglo, ito ay kilala tungkol sa atomic beam ng magnetic resonance. Sa una, ang aplikasyon nito ay hindi nag-aalala sa mga relo sa anumang paraan - ito ay isang teorya lamang. Ngunit noong 1945, iminungkahi ni Isidor Rabi na lumikha ng isang aparato, ang konsepto na kung saan ay gumagana sila batay sa pamamaraan sa itaas. Ngunit inayos ang mga ito sa paraang nagpakita sila ng hindi tumpak na mga resulta. At noong 1949, ipinaalam ng National Bureau of Standards sa buong mundo ang tungkol sa paglikha ng unang atomic na orasan, na batay sa mga molekular na compound ng ammonia, at noong 1952, ang mga teknolohiya ay pinagkadalubhasaan upang lumikha ng isang prototype batay sa mga atomo ng cesium.

Ang pagdinig tungkol sa mga atomo ng ammonia at cesium, ang tanong ay bumangon, ngunit ang mga kahanga-hangang orasan ba ay radioactive? Ang sagot ay malinaw - hindi! Wala silang atomic decay.

Sa ngayon, maraming mga materyales kung saan ginawa ang mga atomic na orasan. Halimbawa, ito ay silikon, kuwarts, aluminyo at kahit pilak.

Paano gumagana ang device?

Tingnan natin kung paano tumingin at gumagana ang mga orasan na pinapagana ng nuclear. Upang gawin ito, nag-aalok kami ng isang paglalarawan ng kanilang trabaho:

Para sa tamang paggana ng partikular na orasan na ito, hindi kailangan ng pendulum, ni isang quartz oscillator. Gumagamit sila ng mga signal na lumabas dahil sa quantum transition ng isang electron sa pagitan ng dalawang antas ng enerhiya ng isang atom. Bilang resulta, napagmamasdan natin ang isang electromagnetic wave. Sa madaling salita, nakakakuha tayo ng madalas na pagbabagu-bago at isang napakataas na antas ng katatagan ng system. Bawat taon, dahil sa mga bagong pagtuklas, ang mga proseso ay na-moderno. Hindi pa katagal, ang mga espesyalista ng The National Instituteo fStandardsand Technology (NIST) ay naging mga kampeon, na nagtatakda ng isang ganap na rekord sa mundo. Nagawa nilang dalhin ang katumpakan ng atomic clock (batay sa strontium) sa pinakamababang paglihis, ibig sabihin: sa loob ng 15 bilyong taon, isang segundo na tumatakbo. Oo, oo, sa tingin mo ay hindi ito ang edad na itinatalaga ngayon sa ating Uniberso. Ito ay isang malaking pagtuklas! Pagkatapos ng lahat, ito ay strontium na gumaganap ng pinakamahalagang papel sa rekord na ito. Ang gumagalaw na mga atomo ng strontium sa spatial na sala-sala nito, na nilikha ng mga siyentipiko gamit ang isang laser, ay kumilos bilang isang analogue ng "ticking". Tulad ng nakasanayan sa agham, sa teorya ang lahat ay tila kaakit-akit at napabuti na, ngunit ang kawalang-tatag ng naturang sistema ay maaaring maging hindi gaanong kagalakan sa pagsasanay. Ito ay dahil sa kawalang-tatag nito na ang cesium-based na aparato ay nakakuha ng katanyagan sa buong mundo.

Ngayon isaalang-alang kung ano ang binubuo ng naturang aparato. Ang mga pangunahing detalye dito ay:

• quantum discriminator;
• generator ng kuwarts;
• electronics.

Ang isang quartz generator ay isang uri ng self-oscillator, ngunit upang makabuo ng isang resonant na elemento, ito ay gumagamit ng piezoelectric mode ng isang quartz crystal.

Ang pagkakaroon ng isang quantum discriminator at isang quartz oscillator, sa ilalim ng impluwensya ng kanilang dalas, sila ay inihambing, at kapag ang isang pagkakaiba ay nakita, ang feedback circuit ay nangangailangan ng kristal na oscillator na umangkop sa kinakailangang halaga at dagdagan ang katatagan at katumpakan. Bilang resulta, sa output ay nakikita natin ang eksaktong halaga sa dial, na nangangahulugang eksaktong oras.

Ang mga naunang modelo ay medyo malaki, ngunit noong Oktubre 2013, ang BathysHawaii ay gumawa ng isang splash sa paglabas ng mga maliliit na atomic na mga relo. Sa una, lahat ay kinuha ang pahayag na ito bilang isang biro, ngunit sa lalong madaling panahon ay naging totoo ito, at sila ay gumagana sa batayan ng atomic source Cesium 133 Ang kaligtasan ng device ay sinisiguro ng katotohanan na ang radioactive element ay nakapaloob sa anyo ng gas sa isang espesyal na kapsula. Ang isang larawan ng device na ito ay nakakalat sa buong mundo.

Marami sa paksa ng mga atomic na orasan ang interesado sa isyu ng pinagmumulan ng kuryente. Ang baterya ay lithium-ion na baterya. Ngunit sayang, hindi pa alam kung gaano katagal ang naturang baterya.

Ang mga relong BathysHawaii ay tunay na unang atomic na mga relo. Noong nakaraan, ang mga kaso ng paglabas ng isang medyo portable na aparato ay kilala na, ngunit, sa kasamaang-palad, wala itong mapagkukunan ng atomic power, ngunit naka-synchronize lamang sa totoong pangkalahatang mga orasan sa pamamagitan ng wireless radio. Ito rin ay nagkakahalaga ng pagbanggit sa halaga ng naturang gadget. Ang kasiyahan ay tinatantya sa 12 thousand US dollars. Malinaw na sa ganoong presyo, ang mga relo ay hindi makakakuha ng malawak na katanyagan, ngunit ang kumpanya ay hindi nagsusumikap para dito, dahil inilabas nila ang mga ito sa isang limitadong batch.

Alam natin ang ilang uri ng mga atomic na orasan. Walang makabuluhang pagkakaiba sa kanilang disenyo at prinsipyo, ngunit mayroon pa ring ilang pagkakaiba. Kaya, ang mga pangunahing ay nasa paraan ng paghahanap ng mga pagbabago at ang kanilang mga elemento. Ang mga sumusunod na uri ng mga relo ay maaaring makilala:

1. hydrogen. Ang kanilang kakanyahan ay nakasalalay sa katotohanan na ang mga atomo ng hydrogen ay sinusuportahan sa tamang antas ng enerhiya, ngunit ang mga dingding ay gawa sa isang espesyal na materyal. Batay dito, napagpasyahan namin na ang mga atomo ng hydrogen na napakabilis na nawawala ang kanilang estado ng enerhiya.
2. cesium. Ang batayan para sa kanila ay mga cesium beam. Kapansin-pansin na ang mga relo na ito ang pinakatumpak.
3. rubidium. Ang mga ito ay ang pinakasimpleng at napaka-compact.

Gaya ng nabanggit kanina, ang mga atomic na orasan ay isang napakamahal na gadget. Kaya, ang pocket watch na Hoptroff No. 10 ay isang maliwanag na kinatawan ng isang bagong henerasyon ng mga laruan. Ang presyo ng tulad ng isang naka-istilong at napaka-tumpak na accessory ay 78 libong dolyar. 12 kopya lamang ang inilabas. Ang mekanismo ng device na ito ay gumagamit ng high-frequency oscillatory system, na nilagyan din ng GPS signal.

Ang kumpanya ay hindi tumigil doon at ito ay nasa ikasampung bersyon ng relo na nais nitong ilapat ang paraan ng paglalagay ng mekanismo sa isang gold case, na ipi-print sa isang sikat na 3D printer. Hindi pa eksaktong kinakalkula kung gaano karaming ginto ang gagamitin para sa bersyon na ito ng kaso, ngunit ang tinantyang presyo ng tingi ng obra maestra na ito ay kilala na - ito ay umabot sa halos 50 libong pounds. At hindi ito ang pangwakas na presyo, kahit na isinasaalang-alang nito ang lahat ng dami ng pananaliksik, pati na rin ang pagiging bago at pagiging natatangi ng gadget mismo.

Mga makasaysayang katotohanan tungkol sa paggamit ng mga relo

Paano, kapag pinag-uusapan ang tungkol sa mga atomic na orasan, hindi sa banggitin ang mga pinaka-kagiliw-giliw na katotohanan na nauugnay sa kanila at oras sa pangkalahatan:

1. Alam mo ba na ang pinakamatandang sundial ay natagpuan sa sinaunang Egypt?
2. Ang pagkakamali ng mga atomic na orasan ay minimal - ito ay 1 segundo lamang para sa 6 na milyong taon.
3. Alam ng lahat na mayroong 60 segundo sa isang minuto. Ngunit kakaunting tao ang nakaalam kung gaano karaming millisecond ang nasa isang segundo? At hindi sila marami at hindi kakaunti - isang libo!
4. Bawat turista na nakabisita sa London ay siguradong gustong makita ng sariling mga mata ang Big Ben. Ngunit sa kasamaang palad, hindi alam ng maraming tao na ang Big Ben ay hindi isang tore, ngunit ang pangalan ng isang malaking kampana na may bigat na 13 tonelada at mga singsing sa loob ng tore.
5. Naisip mo na ba kung bakit ang mga kamay ng ating mga orasan ay eksakto mula kaliwa hanggang kanan, o kung paano natin sinasabi ang "clockwise"? Ang katotohanang ito ay direktang nauugnay sa kung paano gumagalaw ang anino sa sundial.
6. Ang pinakaunang wristwatch ay naimbento noong kamakailang 1812. Ginawa sila ng tagapagtatag ng Breguet para sa Reyna ng Naples.
7. Bago ang Unang Digmaang Pandaigdig, ang mga relo ng pulso ay itinuturing na isang accessory lamang ng kababaihan, ngunit sa lalong madaling panahon, dahil sa kanilang kaginhawahan, pinili din sila ng lalaki na bahagi ng populasyon.

Sa ika-21 siglo, mabilis na umuunlad ang satellite navigation. Maaari mong matukoy ang posisyon ng anumang mga bagay na kahit papaano ay konektado sa mga satellite, ito man ay isang mobile phone, isang kotse o isang spacecraft. Ngunit wala sa mga ito ay maaaring nakamit nang walang atomic na orasan.
Gayundin, ang mga relo na ito ay ginagamit sa iba't ibang telekomunikasyon, halimbawa, sa mga mobile na komunikasyon. Ito ang pinakatumpak na relo na naranasan, ngayon at magiging. Kung wala sila, hindi masi-synchronize ang Internet, hindi natin malalaman ang distansya sa ibang mga planeta at bituin, atbp.
Sa mga oras, 9,192,631,770 na panahon ng electromagnetic radiation ang kinukuha bawat segundo, na naganap sa panahon ng paglipat sa pagitan ng dalawang antas ng enerhiya ng cesium-133 atom. Ang ganitong mga orasan ay tinatawag na cesium clocks. Ngunit isa lamang ito sa tatlong uri ng mga atomic na orasan. Mayroon ding mga orasan ng hydrogen at rubidium. Gayunpaman, ang mga orasan ng cesium ay madalas na ginagamit, kaya't hindi na kami magtatagal sa iba pang mga uri.

Paano gumagana ang isang cesium atomic clock

Pinapainit ng laser ang mga atomo ng cesium isotope at sa oras na ito, nirerehistro ng built-in na resonator ang lahat ng mga transition ng mga atomo. At, gaya ng nabanggit kanina, pagkatapos maabot ang 9,192,631,770 transition, isang segundo ang binibilang.

Pinapainit ng isang laser na nakapaloob sa case ng relo ang mga atomo ng cesium isotope. Sa oras na ito, ang resonator ay nagrerehistro ng bilang ng mga paglipat ng mga atomo sa isang bagong antas ng enerhiya. Kapag naabot ang isang tiyak na dalas, katulad ng 9,192,631,770 transition (Hz), pagkatapos ay binibilang ang isang segundo, batay sa internasyonal na sistema ng SI.

Gamitin sa satellite navigation

Ang proseso ng pagtukoy sa eksaktong lokasyon ng isang bagay gamit ang satellite ay napakahirap. Maraming satellite ang kasangkot dito, lalo na sa 4 bawat receiver (halimbawa, isang GPS navigator sa isang kotse).

Ang bawat satellite ay may high-precision atomic clock, satellite radio transmitter at digital code generator. Ang radio transmitter ay nagpapadala ng digital code at impormasyon tungkol sa satellite sa Earth, katulad ng mga parameter ng orbit, modelo, atbp.

Tinutukoy ng orasan kung gaano katagal bago makarating ang code na ito sa receiver. Kaya, alam ang bilis ng pagpapalaganap ng mga radio wave, ang distansya sa receiver sa Earth ay kinakalkula. Ngunit ang isang satellite ay hindi sapat para dito. Ang mga modernong GPS receiver ay maaaring makatanggap ng mga signal mula sa 12 satellite nang sabay-sabay, na nagbibigay-daan sa iyo upang matukoy ang lokasyon ng isang bagay na may katumpakan na hanggang 4 na metro. Sa pamamagitan ng paraan, nararapat na tandaan na ang mga GPS navigator ay hindi nangangailangan ng bayad sa subscription.

Mataas na katumpakan ng mga atomic na orasan na nagkakamali ng isang segundo sa loob ng 300 milyong taon. Ang orasan na ito, na pinalitan ang isang lumang modelo na nagkaroon ng isang segundong error sa isang daang milyong taon, ay nagtatakda na ngayon ng pamantayan para sa oras ng sibil ng Amerika. Nagpasya ang Lenta.ru na alalahanin ang kasaysayan ng paglikha ng mga atomic na orasan.

Unang atom

Upang lumikha ng isang orasan, sapat na gumamit ng anumang pana-panahong proseso. At ang kasaysayan ng paglitaw ng mga instrumento sa pagsukat ng oras ay bahagyang kasaysayan ng paglitaw ng alinman sa mga bagong mapagkukunan ng enerhiya o mga bagong oscillatory system na ginagamit sa mga relo. Ang pinakasimpleng orasan ay marahil ang araw na orasan, na nangangailangan lamang ng araw at isang bagay upang maglagay ng anino upang gumana. Ang mga disadvantages ng pamamaraang ito ng pagtukoy ng oras ay halata. Ang tubig at mga hourglass ay hindi rin mas mahusay: ang mga ito ay angkop lamang para sa pagsukat ng medyo maikling panahon.

Ang pinakalumang mekanikal na orasan ay natagpuan noong 1901 malapit sa isla ng Antikythera sa isang lumubog na barko sa Dagat Aegean. Naglalaman ang mga ito ng humigit-kumulang 30 bronze gear sa isang wooden case na may sukat na 33 by 18 by 10 centimeters at mula noong mga 100 BC.

Sa loob ng halos dalawang libong taon, ang mga mekanikal na relo ay ang pinakatumpak at maaasahan. Ang paglitaw noong 1657 ng klasikong gawa ni Christian Huygens na "Pendulum Clock" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica") na may paglalarawan ng isang time reference device na may pendulum bilang isang oscillating system, ay marahil ang apogee sa kasaysayan ng pag-unlad ng mga mekanikal na aparato ng ganitong uri.

Gayunpaman, ginamit pa rin ng mga astronomo at navigator ang mabituing kalangitan at mga mapa upang matukoy ang kanilang lokasyon at eksaktong oras. Ang unang electric clock ay naimbento noong 1814 ni Francis Ronalds. Gayunpaman, ang unang naturang instrumento ay hindi tumpak dahil sa pagiging sensitibo nito sa mga pagbabago sa temperatura.

Ang karagdagang kasaysayan ng mga relo ay konektado sa paggamit ng iba't ibang oscillatory system sa mga device. Ipinakilala noong 1927 ng mga empleyado ng Bell Labs, ginamit ng mga quartz na relo ang mga katangian ng piezoelectric ng isang kristal na quartz: kapag ang isang electric current ay inilapat dito, ang kristal ay nagsisimulang lumiit. Makakamit ng mga modernong quartz chronometer ang katumpakan ng hanggang 0.3 segundo bawat buwan. Gayunpaman, dahil ang quartz ay napapailalim sa pagtanda, sa paglipas ng panahon ang relo ay nagiging hindi gaanong tumpak.

Sa pag-unlad ng atomic physics, iminungkahi ng mga siyentipiko ang paggamit ng mga particle ng bagay bilang mga oscillatory system. Ito ay kung paano lumitaw ang unang atomic na orasan. Ang ideya ng paggamit ng atomic vibrations ng hydrogen upang sukatin ang oras ay iminungkahi noong 1879 ng English physicist na si Lord Kelvin, ngunit ito ay naging posible lamang noong kalagitnaan ng ika-20 siglo.

Pagpaparami ng isang pagpipinta ni Hubert von Herkomer (1907)

Noong 1930s, ang American physicist at discoverer ng nuclear magnetic resonance, si Isidore Rabi, ay nagsimulang magtrabaho sa cesium-133 atomic clock, ngunit ang pagsiklab ng digmaan ay pumigil sa kanya. Pagkatapos ng digmaan, noong 1949, ang unang molekular na orasan na gumagamit ng mga molekula ng ammonia ay nilikha sa Pambansang Komite ng Mga Pamantayan ng US kasama ang pakikilahok ni Harold Lyonson. Ngunit ang unang gayong mga instrumento para sa pagsukat ng oras ay hindi kasing-tumpak ng mga modernong atomic na orasan.

Ang medyo mababang katumpakan ay dahil sa ang katunayan na dahil sa pakikipag-ugnayan ng mga molekula ng ammonia sa bawat isa at sa mga dingding ng lalagyan kung saan matatagpuan ang sangkap na ito, nagbago ang enerhiya ng mga molekula at lumawak ang kanilang mga parang multo na linya. Ang epektong ito ay halos kapareho ng friction sa isang mekanikal na relo.

Nang maglaon, noong 1955, ipinakilala ni Louis Esssen ng National Physical Laboratory ng UK ang unang caesium-133 atomic clock. Ang orasan na ito ay nag-ipon ng error ng isang segundo sa isang milyong taon. Ang aparato ay pinangalanang NBS-1 at nagsimulang ituring na isang cesium frequency standard.

Ang circuit diagram ng isang atomic clock ay binubuo ng isang crystal oscillator na kinokontrol ng isang feedback discriminator. Ginagamit ng oscillator ang mga katangian ng piezoelectric ng quartz, habang ginagamit ng discriminator ang mga vibrations ng enerhiya ng mga atom, upang ang mga vibrations ng quartz ay sinusubaybayan ng mga signal mula sa mga transition mula sa iba't ibang antas ng enerhiya sa mga atom o molekula. Sa pagitan ng generator at discriminator ay mayroong compensator na nakatutok sa dalas ng atomic vibrations at inihahambing ito sa vibration frequency ng crystal.

Ang mga atom na ginagamit sa orasan ay dapat magbigay ng matatag na mga vibrations. Ang bawat dalas ng electromagnetic radiation ay may sariling mga atomo: calcium, strontium, rubidium, cesium, hydrogen. O kahit na mga molekula ng ammonia at yodo.

pamantayan ng oras

Sa pagdating ng mga instrumento sa pagsukat ng oras ng atomic, naging posible na gamitin ang mga ito bilang isang unibersal na pamantayan para sa pagtukoy ng pangalawa. Mula noong 1884, ang oras ng Greenwich, na itinuturing na pamantayan sa mundo, ay nagbigay daan sa pamantayan ng mga atomic na orasan. Noong 1967, sa pamamagitan ng desisyon ng 12th General Conference of Weights and Measures, ang isang segundo ay tinukoy bilang ang tagal ng 9192631770 na panahon ng radiation na tumutugma sa paglipat sa pagitan ng dalawang hyperfine na antas ng ground state ng cesium-133 atom. Ang kahulugang ito ng isang segundo ay hindi nakadepende sa astronomical na mga parameter at maaaring kopyahin kahit saan sa planeta. Ang Cesium-133, na ginagamit sa karaniwang atomic clock, ay ang tanging matatag na isotope ng cesium na may 100% na kasaganaan sa Earth.

Ginagamit din ang mga orasan ng atom sa satellite navigation system; ang mga ito ay kinakailangan upang matukoy ang eksaktong oras at mga coordinate ng satellite. Kaya, ang bawat satellite ng GPS system ay may apat na set ng naturang mga orasan: dalawang rubidium at dalawang cesium, na nagbibigay ng katumpakan ng paghahatid ng signal na 50 nanosecond. Ang mga satelayt ng Russia ng sistemang GLONASS ay mayroon ding mga aparatong pagsukat ng oras ng atomic na cesium at rubidium, at ang mga satelayt ng lumalawak na European geopositioning system na Galileo ay nilagyan ng mga hydrogen at rubidium.

Ang katumpakan ng mga orasan ng hydrogen ay ang pinakamataas. Ito ay 0.45 nanosecond sa loob ng 12 oras. Malamang, ang paggamit ng gayong tumpak na mga orasan ni Galileo ay magdadala sa navigation system na ito sa unahan sa 2015, kapag ang 18 satellite nito ay nasa orbit.

Compact atomic clock

Ang Hewlett-Packard ay ang unang kumpanya na bumuo ng isang compact atomic clock. Noong 1964, nilikha niya ang HP 5060A cesium instrument, ang laki ng isang malaking maleta. Ang kumpanya ay nagpatuloy sa pagbuo ng direksyong ito, ngunit mula noong 2005 ay ibinenta nito ang atomic clock division nito sa Symmetricom.

Noong 2011, binuo ng Draper Laboratories at Sandia National Laboratories at inilabas ng Symmetricom ang unang Quantum miniature atomic clock. Sa oras ng pagpapalaya, nagkakahalaga sila ng halos 15 libong dolyar, ay nakapaloob sa isang selyadong kaso na may sukat na 40 sa 35 sa 11 milimetro at may timbang na 35 gramo. Ang paggamit ng kuryente ng relo ay mas mababa sa 120 milliwatts. Sa una, ang mga ito ay binuo ayon sa pagkakasunud-sunod ng Pentagon at nilayon upang maghatid ng mga navigation system na gumagana nang hiwalay sa mga GPS system, halimbawa, malalim sa ilalim ng tubig o lupa.

Nasa katapusan na ng 2013, ipinakilala ng kumpanyang Amerikano na si Bathys Hawaii ang unang "pulso" na atomic na orasan. Ginagamit nila ang SA.45s chip na ginawa ng Symmetricom bilang pangunahing bahagi. Sa loob ng chip ay isang kapsula na may cesium-133. Kasama rin sa disenyo ng relo ang mga photocell at isang low-power na laser. Ang huli ay nagbibigay ng pagpainit ng gaseous cesium, bilang isang resulta kung saan ang mga atomo nito ay nagsisimulang lumipat mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa. Ang pagsukat ng oras ay ginawa lamang sa pamamagitan ng pag-aayos ng naturang paglipat. Ang halaga ng bagong aparato ay halos 12 libong dolyar.

Ang mga trend patungo sa miniaturization, awtonomiya at katumpakan ay hahantong sa katotohanan na sa malapit na hinaharap ay magkakaroon ng mga bagong device na gumagamit ng mga atomic na orasan sa lahat ng mga lugar ng buhay ng tao, mula sa pananaliksik sa kalawakan sa mga nag-oorbit na satellite at mga istasyon hanggang sa mga domestic application sa panloob at mga sistema ng pulso.

Madalas nating marinig ang parirala na ang mga atomic na orasan ay palaging nagpapakita ng eksaktong oras. Ngunit mula sa kanilang pangalan ay mahirap maunawaan kung bakit ang mga atomic na orasan ay ang pinakatumpak o kung paano gumagana ang mga ito.

Ang katotohanan na ang pangalan ay naglalaman ng salitang "atomic" ay hindi nangangahulugan na ang relo ay isang panganib sa buhay, kahit na ang mga pag-iisip tungkol sa isang atomic bomb o isang nuclear power plant ay agad na pumasok sa isip. Sa kasong ito, pinag-uusapan lang natin ang prinsipyo ng orasan. Kung sa isang ordinaryong mekanikal na orasan na mga gear ay gumagawa ng mga oscillatory na paggalaw at ang kanilang mga paggalaw ay binibilang, kung gayon sa mga atomic na orasan ay binibilang ang mga oscillations ng mga electron sa loob ng mga atomo. Upang mas maunawaan ang prinsipyo ng operasyon, alalahanin natin ang pisika ng elementarya na mga particle.

Ang lahat ng mga sangkap sa ating mundo ay binubuo ng mga atomo. Ang mga atomo ay binubuo ng mga proton, neutron at mga electron. Ang mga proton at neutron ay nagsasama-sama sa isa't isa upang bumuo ng isang nucleus, na tinatawag ding nucleon. Ang mga electron ay gumagalaw sa paligid ng nucleus, na maaaring nasa iba't ibang antas ng enerhiya. Ang pinaka-kagiliw-giliw na bagay ay na kapag sumisipsip o nagbibigay ng enerhiya, ang isang elektron ay maaaring lumipat mula sa antas ng enerhiya nito sa isang mas mataas o mas mababa. Ang isang electron ay maaaring makatanggap ng enerhiya mula sa electromagnetic radiation sa pamamagitan ng pagsipsip o pagpapalabas ng electromagnetic radiation ng isang tiyak na frequency sa bawat paglipat.

Kadalasan mayroong mga relo kung saan ginagamit ang mga atomo ng elementong Cesium -133 upang baguhin. Kung sa 1 segundo ang pendulum maginoo na mga relo gumagawa ng 1 oscillatory motion, pagkatapos ay ang mga electron sa mga atomic na orasan batay sa Cesium-133, kapag lumilipat mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa, naglalabas sila ng electromagnetic radiation na may dalas na 9192631770 Hz. Lumalabas na ang isang segundo ay nahahati sa eksaktong bilang ng mga agwat na ito, kung ito ay kinakalkula sa mga atomic na orasan. Ang halagang ito ay opisyal na pinagtibay ng internasyonal na komunidad noong 1967. Isipin ang isang malaking dial, kung saan walang 60, ngunit 9192631770 na mga dibisyon, na 1 segundo lamang. Hindi nakakagulat na ang mga atomic na orasan ay napakatumpak at may ilang mga pakinabang: ang mga atomo ay hindi tumatanda, hindi napuputol, at ang dalas ng oscillation ay palaging magiging pareho para sa isang elemento ng kemikal, na ginagawang posible na sabay na ihambing, para sa halimbawa, ang mga pagbabasa ng mga atomic na orasan na malayo sa kalawakan at sa Earth, hindi natatakot sa mga pagkakamali.

Salamat sa mga atomic na orasan, ang sangkatauhan sa pagsasanay ay nagawang subukan ang kawastuhan ng teorya ng relativity at tiyakin na, kaysa sa Earth. Ang mga orasan ng atom ay naka-install sa maraming mga satellite at spacecraft, ginagamit ang mga ito para sa mga pangangailangan sa telekomunikasyon, para sa mga mobile na komunikasyon, inihahambing nila ang eksaktong oras sa buong planeta. Nang walang pagmamalabis, ito ay salamat sa pag-imbento ng atomic clock na ang sangkatauhan ay nakapasok sa panahon ng mataas na teknolohiya.

Paano gumagana ang mga atomic na orasan?

Ang Cesium-133 ay pinainit sa pamamagitan ng pagsingaw ng mga atomo ng cesium, na ipinapasa sa isang magnetic field, kung saan pinipili ang mga atomo na may nais na estado ng enerhiya.

Pagkatapos ang mga napiling atom ay dumaan sa isang magnetic field na may dalas na malapit sa 9192631770 Hz, na lumilikha ng isang quartz oscillator. Sa ilalim ng impluwensya ng field, muling binabago ng mga atom ng cesium ang kanilang mga estado ng enerhiya, at nahuhulog sa detektor, na nag-aayos kapag ang pinakamalaking bilang ng mga papasok na atom ay magkakaroon ng "tama" na estado ng enerhiya. Ang maximum na bilang ng mga atom na may nabagong estado ng enerhiya ay nagpapahiwatig na ang dalas ng field ng microwave ay napili nang tama, at pagkatapos ay ang halaga nito ay ipapakain sa isang elektronikong aparato - isang frequency divider, na kung saan, binabawasan ang dalas ng isang integer na bilang ng mga beses, ay nakakakuha. ang numero 1, na siyang pangalawang sanggunian.

Kaya, ang mga atomo ng cesium ay ginagamit upang suriin ang tamang dalas ng magnetic field na ginawa ng crystal oscillator, na tumutulong na panatilihin itong pare-pareho.

Ito ay kawili-wili: bagama't ang mga atomic na orasan na umiiral ngayon ay hindi pa nagagawang tumpak at maaaring tumakbo nang walang pagkakamali sa milyun-milyong taon, ang mga pisiko ay hindi titigil doon. Gamit ang mga atom ng iba't ibang elemento ng kemikal, patuloy silang nagsusumikap upang mapabuti ang katumpakan ng mga atomic na orasan. Sa mga pinakabagong imbensyon - naka-on ang mga atomic na orasan strontium, na tatlong beses na mas tumpak kaysa sa kanilang cesium counterpart. Aabutin sila ng 15 bilyong taon upang maging isang segundo lamang sa likod - isang oras na mas mahaba kaysa sa edad ng ating uniberso...

Kung makakita ka ng error, mangyaring i-highlight ang isang piraso ng teksto at i-click Ctrl+Enter.

Atomic clock Enero 27, 2016

Ang Switzerland, o maging ang Japan, ay hindi magiging lugar ng kapanganakan ng unang pocket watch sa mundo na may built-in na atomic time standard. Ang ideya ng kanilang paglikha ay nagmula sa gitna ng UK mula sa tatak na nakabase sa London na Hoptroff

Atomic, o kung tawagin din silang "quantum clock", ay isang aparato na sumusukat sa oras gamit ang mga natural na vibrations na nauugnay sa mga prosesong nagaganap sa antas ng mga atom o molekula. Napagpasyahan ni Richard Hoptroff na oras na para sa mga modernong ginoo na interesado sa mga high-tech na device na baguhin ang kanilang mga pocket mechanical na relo para sa isang bagay na mas maluho at hindi pangkaraniwan, at alinsunod din sa mga modernong uso sa lunsod.

Kaya, ipinakita sa publiko ang isang eleganteng pocket atomic watch na Hoptroff No. 10, na maaaring sorpresahin ang modernong henerasyon, na tinutukso ng maraming gadget, hindi lamang sa istilong retro nito at kamangha-manghang katumpakan, kundi pati na rin sa buhay ng serbisyo nito. Ayon sa mga developer, ang pagkakaroon ng relo na ito sa iyo, magagawa mong manatiling pinaka maagang tao sa loob ng hindi bababa sa 5 bilyong taon.

Ano pa ang maaari mong malaman tungkol sa mga ito na kawili-wili ...

Larawan 2.

Para sa lahat ng mga hindi kailanman naging interesado sa gayong mga relo, ito ay nagkakahalaga ng maikling paglalarawan ng prinsipyo ng kanilang operasyon. Sa loob ng "atomic device" ay walang katulad ng isang klasikong mekanikal na relo. Sa Hoptroff no. 10 walang mga mekanikal na bahagi tulad nito. Sa halip, ang mga atomic pocket watch ay nilagyan ng selyadong silid na puno ng radioactive gaseous substance, na ang temperatura ay kinokontrol ng isang espesyal na pugon. Ang eksaktong tiyempo ay ang mga sumusunod: pinasisigla ng mga laser ang mga atomo ng isang elemento ng kemikal, na isang uri ng "tagapuno" ng orasan, at kinukuha at sinusukat ng resonator ang bawat atomic transition. Ngayon, ang pangunahing elemento ng naturang mga aparato ay cesium. Kung naaalala natin ang sistema ng SI ng mga yunit, kung gayon ang halaga ng isang segundo ay konektado sa bilang ng mga panahon ng electromagnetic radiation sa panahon ng paglipat ng mga atomo ng cesium-133 mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa.

Larawan 3.

Kung sa mga smartphone ang processor chip ay itinuturing na puso ng device, pagkatapos ay sa Hoptroff No. 10 ang papel na ito ay ginagampanan ng module-generator ng reference time. Ito ay ibinibigay ng Symmetricom, at ang chip mismo ay orihinal na nakatuon sa paggamit sa industriya ng militar - sa mga unmanned aerial na sasakyan.

Ang CSAC atomic clock ay nilagyan ng temperature-controlled thermostat na naglalaman ng cesium vapor chamber. Sa ilalim ng impluwensya ng isang laser sa mga atomo ng cesium-133, ang kanilang paglipat mula sa isang estado ng enerhiya patungo sa isa pa ay nagsisimula, kung saan ang isang microwave resonator ay ginagamit upang sukatin ito. Mula noong 1967, tinukoy ng International System of Units (SI) ang isang segundo bilang 9,192,631,770 na panahon ng electromagnetic radiation na nagmumula sa paglipat sa pagitan ng dalawang hyperfine na antas ng ground state ng cesium-133 atom. Batay dito, mahirap isipin ang isang mas tumpak na teknikal na relo batay sa cesium. Sa paglipas ng panahon, sa mga kamakailang pag-unlad sa timekeeping, ang mga bagong optical na orasan batay sa isang aluminum ion na pumipintig sa dalas ng ultraviolet (100,000 beses ang mga frequency ng microwave ng mga orasan ng cesium) ay daan-daang beses na mas tumpak kaysa sa mga atomic na timepiece. Sa madaling salita, ang bagong No.10 pocket watch ng Hoptroff ay may katumpakan na 0.0015 segundo bawat taon, 2.4 milyong beses na mas mahusay kaysa sa mga pamantayan ng COSC.

Larawan 4.

Ang functional side ng device ay nasa bingit din ng pantasya. Sa pamamagitan nito, malalaman mo ang: oras, petsa, araw ng linggo, taon, latitude at longitude sa iba't ibang halaga, presyon, halumigmig, sidereal na oras at minuto, tide forecast at marami pang ibang indicator. Ang relo ay may ginto, at ito ay binalak na gumamit ng 3D printing upang lumikha ng mahalagang metal na case nito.

Si Richard Hoptrof ay taos-pusong naniniwala na ang partikular na opsyon sa produksyon para sa kanyang mga supling ay ang pinaka-kanais-nais. Upang bahagyang baguhin ang bahagi ng disenyo ng disenyo, hindi na kailangang muling itayo ang linya ng produksyon, ngunit gamitin ang functional flexibility ng 3D printing device para dito. Totoo, ito ay nagkakahalaga ng pagpuna na ang ipinakitang prototype na relo ay ginawa sa klasikal na paraan.

Larawan 5.

Napakahalaga ng oras sa mga araw na ito, at ang pocket watch na Hoptroff No. 10 ay isang direktang kumpirmasyon nito. Ayon sa paunang impormasyon, ang unang batch ng mga nuclear device ay magiging 12 units, at para sa halaga, ang presyo para sa 1 kopya ay $78,000.

Larawan 6.

Ayon kay Richard Hoptroff, Managing Director ng brand, ang London residence ng Hoptroff ay may mahalagang papel sa ideya. "Sa aming mga paggalaw ng quartz, gumagamit kami ng isang high-precision oscillatory system na may signal ng GPS. Ngunit sa gitna ng London hindi ganoon kadaling mahuli ang mismong senyales na ito. Minsan, sa isang paglalakbay sa Greenwich Observatory, nakakita ako ng isang Hewlett Packard atomic clock doon at nagpasya akong bumili ng katulad na bagay para sa aking sarili sa pamamagitan ng Internet. At hindi ko kaya. Sa halip, nakatagpo ako ng impormasyon tungkol sa isang Symmetricon chip, at pagkatapos ng tatlong araw na pag-iisip, natanto ko na magiging perpekto ito para sa isang pocket watch."

Ang chip na pinag-uusapan ay ang SA.45s cesium atomic clock (CSAC), isang unang henerasyon ng mga miniature atomic na orasan para sa mga GPS receiver, backpack radio at drone. Sa kabila ng katamtamang sukat nito (40 mm x 34.75 mm), malamang na hindi ito magkasya sa isang wrist watch. Samakatuwid, nagpasya si Hoptroff na magbigay ng isang medyo solidong modelo ng bulsa (82 mm ang lapad) sa kanila.

Bilang karagdagan sa pagiging ang pinakatumpak na relo sa mundo, ang Hoptroff No 10 (ang ika-sampung kilusan ng tatak) ay sinasabi rin na siya ang unang gold case na ginawa gamit ang 3D printing technology. Hindi pa sigurado si Hoptroff kung gaano karaming ginto ang kakailanganin para gawin ang kaso (nakumpleto ang trabaho sa unang prototype noong napunta sa press ang isyu), ngunit nagmumungkahi na ang halaga nito ay "isang minimum na ilang libong pounds." At sa lahat ng R&D na kinakailangan para bumuo ng produkto (isipin ang tide function para sa mga harmonic constant para sa 3,000 iba't ibang port), aasahan mong ang panghuling retail na presyo ay nasa rehiyon na £50,000.

Gold case ng model No. 10 sa exit mula sa 3D printer at sa tapos na form

Awtomatikong nagiging miyembro ng eksklusibong club ang mga mamimili at kakailanganing pumirma ng nakasulat na pangako na huwag gamitin ang atomic clock chip bilang sandata. "Ito ang isa sa mga tuntunin ng aming kontrata sa supplier," paliwanag ni G. Hoptroff, "dahil ang atomic chip ay orihinal na ginamit sa mga sistema ng paggabay ng missile." Hindi gaanong para makakuha ng relo na may hindi nagkakamali na katumpakan.

Ang mga masuwerteng may-ari ng No.10 ng Hoptroff ay magkakaroon ng higit pa sa isang mataas na katumpakan na relo na kanilang magagamit. Ang modelo ay nagdodoble rin bilang isang pocket navigation device, na nagpapahintulot sa longitude na matukoy sa loob ng isang nautical mile, kahit na pagkatapos ng maraming taon sa dagat, gamit ang isang simpleng sextant. Ang modelo ay makakatanggap ng dalawang dial, ngunit ang disenyo ng isa sa mga ito ay pinananatiling lihim. Ang isa pa ay isang ipoipo ng mga counter na nagpapakita ng kasing dami ng 28 mga komplikasyon: mula sa lahat ng posibleng chronometric function at mga tagapagpahiwatig ng kalendaryo hanggang sa isang compass, thermometer, hygrometer (isang aparato para sa pagsukat ng mga antas ng halumigmig), barometer, latitude at longitude counter at isang indicator ng mataas / low tide. At hindi ito banggitin ang mga mahahalagang tagapagpahiwatig ng estado ng atomic thermostat.

Plano ng Hoptroff na maglunsad ng ilang bagong produkto, kabilang ang isang elektronikong bersyon ng maalamat na kumplikadong Space Traveler na relo ni George Daniels. Kasalukuyan silang ginagawa upang isama ang teknolohiya ng Bluetooth sa relo upang iimbak ang personal na impormasyon ng nagsusuot at payagan ang awtomatikong pagsasaayos ng mga komplikasyon gaya ng pagpapakita ng moon phase.

Ang mga unang kopya ng No.10 ay lalabas sa susunod na taon, ngunit sa ngayon ang kumpanya ay naghahanap ng mga angkop na kasosyo sa mga retailer. "Tiyak na maaari naming subukang ibenta ito online, ngunit ito ay isang premium na modelo, kaya kailangan mo pa ring hawakan ito sa iyong mga kamay upang pahalagahan ito. Nangangahulugan ito na kailangan pa rin nating gamitin ang mga serbisyo ng mga retailer, at handa na tayong magsimula ng negosasyon,” pagtatapos ni G. Hoptroff.

At kahit na Ang orihinal na artikulo ay nasa website InfoGlaz.rf Link sa artikulo kung saan ginawa ang kopyang ito -