0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как функционируют атомные часы

Как функционируют атомные часы

Атомные часы: описание ипринцип работы

Давайте сначала разберемся, чтоже собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы— это такой прибор, спомощью которого происходит измерение времени, новнем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, атакже все происходит наатомном имолекулярном уровне. Отсюда такая точность.

Можно суверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря имвмире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет всолнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся теили иные изменения.

Статья в тему:  Что должен знать ребенок к первому классу. Что должен знать и уметь будущий первоклашка

Кто изобрел, кто создал, атакже кто придумал эти чудо-часы?

Еще вначале сороковых годовХХ столетия было известно обатомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак некасалось часов— это была только теория. Ноуже в1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла втом, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Ноони были устроены так, что показывали неточные результаты. Ивот уже в1949 году National Bureau ofStandards оповестило весь мир осоздании первых атомных часов, воснову которых легли молекулярные соединения аммиака, ауже в1952 году были освоены технологии для создания прототипа наоснове атомов цезия.

Услышав обатомах аммиака ицезия, возникает вопрос, анерадиоактивныли эти чудесные часы? Ответ однозначный— нет! Вних отсутствует атомный распад.

Внаше время есть множество материалов, изкоторых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий идаже серебро.

Как работает прибор?

Давайтеже разберемся, как выглядят икак работают часы наатомнойэнергии. Для этого предлагаем описание ихработы:

Для правильного функионирования именно этих часов необходим немаятник, атакже некварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Врезультате мыимеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мыполучаем частые колебания исверхвысокий уровень стабильности работы системы. Ежегодно за счет новых открытий происходят модернизации процессов. Не так давно специалистыThe NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST)стали рекордсменами, установив абсолютный мировой рекорд. Они смогли довести точность работы атомных часов (воснове был стронций) досамого минимального отклонения, аименно: за15млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам непоказалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей свами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль вэтом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция вего пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как ивсегда внауке, натеории все кажется фееричным иуже усовершенствованным, нонестабильность такой системы может оказаться менее радостной напрактике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор нацезии.

Статья в тему:  Число авогадро единицы измерения. Число Авогадро: интересные сведения. Смотреть что такое "Число Авогадро" в других словарях

Теперь рассмотрим, изчего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:

  • квантовый дискриминатор;
  • генератор изкварца;
  • электроника.

Генератор изкварца— это подобие автогенератора, нодля произведения резонансного элемента, внем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.

Имея квантовый дискриминатор икварцевый осциллятор, под воздействием ихчастоты происходит ихсравнение ипри выявлении разницы, схема обратной связи требует откварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение иповышать стабильность иточность. Врезультате навыходе мывидим нациферблате точное значение, азначит, точное время.

Ранние модели имели довольно большие размеры, однако воктябре 2013 года компания «BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, новскоре выяснилось, что это действительно правда, иони функционируют наоснове атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится ввиде газа вспециальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось повсему миру.

Многих втеме атомных часов интересует вопрос источника питания. Вкачестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Ноувы, пока неизвестно, насколько хватит такого аккумулятора.

Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, ксожалению, оннеимел атомного источника питания, авсего навсего выполнял синхронизацию среальными габаритными часами побеспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть иостоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в12тыс. долларов США. Было понятно, что стакой ценой часы необретут широкой популярности, нокомпания кэтому инестремилась, ведь выпустила ихочень ограниченной партией.

Статья в тему:  Что делать выпускнику, если не сдал егэ. Что делать, если ты не сдал егэ

Нам известны несколько типов атомных часов. Вихконструкции ипринципах нет существенных отличий, новсеже некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются всредствах нахождения изменений иихэлементов. Можно выделить следующие типы часов:

  1. Водородные. Ихсуть заключается втом, что идет поддержка атомов водорода нанужном уровне энергетики, авот стены сделаны изспециального материала. Исходя изэтого, делаем вывод, что именно водородные атомы очень быстро теряют свое энергетическое состояние.
  2. Цезиевые. Основой для них являются пучки цезия. Стоит отметить, что именно эти часы являются самыми точными.
  3. Рубидиевые. Они являются самыми простыми иочень компактными.

Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff №10— яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного иочень точного аксессуара составляет 78тыс. долларов. Было выпущено всего 12экземпляров. Вмеханизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.

Наэтом компания неостановилась иименно всвоей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма взолотой корпус, который будет напечатан напопулярном 3D-принтере. Точно еще нерассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, нозато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра— она составила около 50тыс. фунтов стерлингов. Иэто еще неокончательная цена, хотя вней учтены все объемы исследований, атакже новизна иуникальность самого гаджета.

Исторические факты обиспользовании часов

Какже рассказывая обатомных часах, неупомянуть осамых интересных фактах, которые связаны сними ивременем вцелом:

  1. Вызнали, что вдревнем Египте были найдены самые старые солнечные часы?
  2. Погрешность атомных часов минимальна— она составляет всего 1секунду на6миллионов лет.
  3. Все знают, что вминуте— 60секунд. Номало кто вникал вто, сколькоже миллисекунд водной секунде? Аихнемного инемало— тысяча!
  4. Каждый турист, который смог побывать вЛондоне, обязательно стремился увидеть своими глазами Биг Бен. Ноксожалению, немногие знают, что Биг Бен— совсем небашня, аназвание огромного колокола, который весит 13тонн извонит внутри башни.
  5. Выникогда незадумывались, почему стрелки наших свами часов идут именно слева направо или как мыпривыкли говорить «почасовой стрелке»? Этот факт напрямую связан стем, как движется тень насолнечных часах.
  6. Самые первые наручные часы были придуманы внедалеком 1812году. Ихизготовил основатель фирмы Breguet для Неополитанской королевы.
  7. ДоПервой Мировой войны, наручные часы считались только женским аксессуаром, новскоре из-за своего удобства, они были облюбованы имужской частью населения.
Статья в тему:  Что делать если близкие люди стали чужими. О том как близкие люди становятся чужими. Почему мы такие разные, но все же вместе

Который атомный час? Как работает самый точный и малопонятный прибор для измерения времени

70 лет назад физики впервые изобрели атомные часы — самый точный на сегодняшний день прибор для измерения времени. С тех пор устройство прошло путь от концепта размером с целую комнату до микроскопического чипа, который можно встроить в носимые устройства. «Хайтек» объясняет, как работают атомные часы, чем отличаются от привычных нам приборов для измерения времени и почему они вряд ли станут массовым явлением.

Читайте «Хайтек» в

Начнем с простого: что такое атомные часы?

Это не так уж просто! Для начала разберемся, как работают привычные нам инструменты для измерения времени — кварцевые и электронные хронометры.

Часы, которые могут измерять секунды, состоят из двух компонентов:

  • Физическое действие, которое повторяется определенное количество раз в секунду.
  • Счетчик, который сигнализирует, что секунда прошла, когда происходит определенное количество действий.

В кварцевых и электронных часах физическое действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока с частотой 32 768 Гц. Как только кристалл совершает это количество колебаний, часовой механизм получает электрический импульс и поворачивает стрелку — так работает счетчик.

В атомных часах процесс происходит иначе. Счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами в атомах при изменении уровня энергии. Когда атомы щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.

Статья в тему:  Что происходит с организмом, когда мы нервничаем. Почему тошнит когда нервничаешь? Простейшие дыхательные упражнения

Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.

Атомные часы и правда очень точные?

Да! Например, механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.

Кроме того, со временем кристалл кварца изнашивается и часы начинают спешить. Такие измерительные приборы не отвечают требованиям ученых, которым необходимо делить секунды на тысячи, миллионы или миллиарды частей. Механические компоненты нельзя заставить двигаться с такой скоростью, а если бы это удалось сделать, их компоненты изнашивались бы крайне быстро.

Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Однако точность таких измерительных приборов постоянно растет — на данный момент рекорд принадлежит атомным часам с точностью около 10 в степени –17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.

Раз в атомных часах используются цезий и стронций, они радиоактивны?

Нет, радиоактивность атомных часов — это миф. Эти измерительные приборы не полагаются на ядерный распад: как и в обычных часах, в них присутствует пружина (только электростатическая) и даже кристалл кварца. Однако колебания в них происходят не в кристалле, а в ядре атома между окружающими его электронами.

Статья в тему:  Что отличает левшу от правши. Видео: Чем грозит переучивание левши? Голосуем за левшей

Ничего не понимаем! Как же тогда работают атомные часы?

Расскажем о самых стабильных, цезиевых часах. Измерительный прибор состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора, детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, которые сортируют атомы низкой и высокой энергии.

Прежде чем попасть в тоннели, хлорид цезия нагревается. Это создает газовый поток ионов цезия, которые затем проходят через фильтр — магнитное поле. Оно разделяет атомы на два подпотока: с высокой и низкой энергией.

Низкоэнергетичный поток атомов цезия проходит через радиационную камеру, где происходит облучение с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Это значение совпадает с резонансной частотой атомов цезия и заставляет их изменить энергетическое состояние.

Следующий фильтр отделяет низкоэнергетичные атомы от высокоэнергетичных — последние остаются в случае, если произошло смещение частоты излучения. Чем ближе частота облучения к резонансной частоте атомов, тем больше атомов станут высокоэнергетическими и попадут на детектор, который преобразует их в электричество. Ток необходим для работы кварцевого генератора — он отвечает за длину волны в радиационной камере, — а значит за то, чтобы цикл повторился вновь.

Предположим, кварцевый генератор теряет свою энергию. Как только это происходит, излучение в камере ослабевает. Следовательно, количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, падает. Это дает сигнал резервной электрической цепи отключить генератор и скорректировать период колебаний, тем самым фиксируя частоту в очень узком диапазоне. Затем эта фиксированная частота делится на 9 192 631 770, что приводит к формированию импульса, отсчитывающего секунду.

Статья в тему:  Что понимают под светимостью солнца. Изменяется ли светимость Солнца? Зодиакальный свет и противосияние

Если атомные часы тоже зависят от кварцевого кристалла, в чем тогда прорыв?

Действительно, кварцевый генератор — самое слабое место цезиевых атомных часов. С момента создания первого такого измерительного прибора исследователи ищут способ отказаться от компонента — в том числе за счет экспериментов с различными щелочными и щелочноземельными металлами, помимо цезия.

Например, в конце 2017 года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали в качестве основы для атомных часов трехмерную решетку из 3 тыс. атомов стронция.

Исследователям удалось доказать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к увеличению точности часов, а при максимальном количестве атомов точность составила погрешность в одну секунду за 15 млрд лет (примерно столько прошло со времен Большого взрыва).

Но стабильность работы стронциевых часов еще предстоит проверить — сделать это можно только со временем. Пока ученые берут за основу для измерений показания цезиевых атомных часов с кварцевым кристаллом внутри.

Ясно! Значит, скоро атомные часы станут обычным делом?

Маловероятно. Проблема заключается в том, что точность атомных часов регулируется принципом неопределенности Гейзенберга. Чем выше точность частоты излучения, тем выше фазовый шум, и наоборот. Повышение фазового шума означает, что необходимо усреднить множество циклов для достижения необходимого уровня точности частоты. Это делает разработку и поддержание работоспособности атомных часов довольно дорогими для массового использования.

Статья в тему:  Альтернативные способы получения пропилена. Химические свойства алканов При термическом крекинге пропана образуются

Сейчас атомные часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени. Без них была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Кварцевые кристаллы являются доминирующим решением. Даже в дорогостоящем испытательном оборудовании, таком как осциллограф серии Keysight UXR1104A Infiniium UXR: 110 ГГц, четыре канала (цена не указана, но она находится в диапазоне $1 млн) используют стабилизированные в печи кристаллы кварца для эталонов, стабильных во времени.

Однако в большинстве случаев использование простого кварцевого кристалла будет дешевле и эффективнее, — потому что кварц имеет гораздо лучшее соотношение точности частоты к фазовому шуму. Поэтому атомные часы необходимы только в случае, когда нужно иметь заданную точность частоты в течение продолжительного времени — десятков и сотен лет. Такие случаи крайне редки — и вряд ли действительно необходимы обычному человеку, а не ученому.

Как работает кварцевый резонатор

Кварцевый резонатор имеет кварцевую пластинку определённого размера, на которую нанесены проводящие полоски-электроды. Если на резонатор подать напряжение, то благодаря пьезоэлектрическому эффекту пластинка деформируется, создавая во внешней цепи противо-ЭДС, подобно катушке индуктивности в колебательном контуре. Но самое интересное заключается в другом — кварцевая пластина обладает весьма стабильной собственной резонансной частотой! Если частота внешнего напряжения близка, то механические колебания резонатора можно поддерживать сколь угодно долго.

Статья в тему:  Что лучше: сладкая ложь или горькая правда. Правда или ложь? Что выбрать

Идея использовать излучение атомов принадлежит знаменитому лорду Кельвину, но только идея — в 1879 году не было даже приблизительной теории строения мельчайших частиц вещества. Воплощение она получила только в середине XX века. К этому времени в руках учёных уже были проверенные практикой модели строения атомов, позволившие, например, разработать атомную бомбу и мазеры — генераторы вынужденного излучения (лазер оперирует только с видимым светом).

Но вначале советские физики Александр Прохоров и ­Николай Басов и независимо от них американец Чарлз Таунс работали не со светом, а с радиоволнами очень высокой частоты. Что произойдёт, если направить такой радиолуч на газ?

Атомы газа начнут взаимодействовать с фотонами радиолуча, рассеивая и поглощая его энергию. Если энергия внешнего фотона будет равна энергии перехода атома газа, то он будет полностью поглощён, и атом-«мишень» перейдёт в более высокое, возбуждённое, энергетическое состояние.

Затем атомы возвращаются в исходное состояние, излучая фотон точно такой же частоты. В итоге луч, проходя через газ (и не только газ), не ослабнет, а наоборот — усилится! Отсюда следует простая идея: если зафиксировано изменение интенсивности прошедшего луча, то его частота (или одна из частот) «попала» в резонанс с энергией перехода. Вспышки строго определённой частоты играли роль спускового крючка, который запускал резонансный генератор импульсов тока с кратной собственной частотой, питал кварц, игравший роль маятника.

Статья в тему:  Что общего между компонентами каждого природного. Природные комплексы и природные зоны. Как различаются природные комплексы

На практике «простота» оказалась обманчивой. Дурно пахнущий аммиак, применённый в качестве рабочего тела в первом мазере, упорно не хотел давать чёткие спектральные линии, сильно сказывались влияние эффекта Доплера (смещения спектра в ту или иную сторону в зависимости от скорости) и взаимное столкновение частиц, искажающее «чистую» картинку переходов. Но даже при таких неблагоприятных условиях удалось создать часы, точность которых была выше на порядок, чем у кварцевых.

Когда изобрели атомные часы?

В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году — создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.

В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.

Статья в тему:  Что лени. Смотреть что такое "Лень" в других словарях. Лень как защитный механизм

В 1999 году NBS, переименованная в NIST, начала работать с часами NIST-F1, точность которых допускала погрешность на одну секунду в 20 миллионов лет.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

Adblock
detector