ساعت اتمی چیست؟

احتمالا شما هم اسم ساعت اتمی به گوش‌تان خورده است. آیا اطلاع دارید که ساعت اتمی چیست؟ و چگونه کار می‌کند؟

هنگامی که برق می‌رود و مجددا می‌آید، یا اینکه باتری ساعت شما تمام شده و آن را تعویض می‌کنید، از کجا اطلاع دارید که ساعت را روی چه زمانی تنظیم کنید؟ یا از کجا می‌دانید که گذشت زمان چگونه بوده است؟ یا اینکه چگونه می‌توان گذشت دقیق زمان را بدون اشتباه اندازه گیری کرد؟ در حالی که ساعت‌های ما مرتب عقب مانده یا جلو می‌روند. اصلا چطور می‌‌توانیم اینگونه دقیق برای تحویل سال به ساعت‌ ها اعتماد کنیم؟

در کشور آمریکا زمان استاندارد طبق ساعت مرجع رصدخانه نیروی دریایی (USNO) که مرجع رسمی زمان برای وزارت دفاع می‌باشد، تنظیم می‌شود. تاثیر این مکانیسم در تمام ساعت‌های مچی، زنگ‌دار، منشی‌های تلفنی خودکار، کامپیوترها و برنامه‌های زمان‌بندی این کشور قابل مشاهده است.

و به همین صورت در تمام نقاط دنیا ساعت‌های مرجع به منظور تنظیم زمان وجود دارند. ولی این ساعت‌ها چقدر دقیق هستند و از چه نوعی می‌باشند که این‌طور با اعتماد کامل تمامی محاسبات زمان دنیا را بر روی دوش آن‌ها قرار داده‌اند؟ جواب کوتاه، ساعت اتمی است. 

ساعت اتمی یا هسته‌ای، ساعتی است که بر اساس نوسانات حرکتی یک الکترون یا گروهی از آنها در داخل اتم یا اتم‌ها به صورت پایدار و دقیق، تنظیم می‌شود. نحوه‌ی کارکرد ساعت اتمی طبق اصول فیزیکی و شیمیایی است و به همین دلیل دقت فوق‌العاده بالایی دارد. این ساعت‌ها از پرتو افشانی هسته‌ای کمک نمی‌گیرند بلکه زمان حرکت یک الکترون از سطحی به سطح دیگر؛ انرژی‌شان دچار دگرگونی می شود. این انرژی و تغییر حالت تابش الکترو مغناطیسی را به همراه دارد.

ساعت اتمی از نوع ساعت‌های استاندارد است که در سراسر جهان استفاده می‌شود و به عنوان مرجع زمانی برای سایر ساعت‌ها و دستگاه‌های زمان‌سنجی استفاده می‌شود و دقت این محصول به قدری بالاست که هر ۳۰۰ میلیون سال ۱ ثانیه خطا دارد.

به دلیل دقت این نمونه، چنانچه قصد خرید هدیه برای پدر، همسر یا برادرتان را داشتید؛ انتخاب ساعت مچی مردانه اتمی می‌تواند انتخابی دقیق و شیک باشد.

آیا ساعت‌های اتمی رادیو اکتیو هستند؟

در پاسخ دیگری به سوال ساعت اتمی چیست؟ باید گفت که ساعت‌های اتمی بهتر از هر ساعتی زمان را محاسبه می‌کنند. آن‌ها حتی دقیق‌تر از چرخش زمین و حرکت ستارگان گذر زمان را حساب می‌کنند. بدون ساعت‌های اتمی، مسیر یابی با GPS تقریبا ممکن نیست، ممکن است اینترنت همگام نشده و محتوای منطبقی نداشته باشد، و حتی مشخص کردن موقعیت سیاره‌ها برای سفینه‌های فضایی و ربات‌های کاوشگر به صورت دقیق امکان‌پذیر نشود.

ساعت‌های اتمی رادیو اکتیو نمی‌باشند. آن ها دارای چرخه فروپاشی اتمی نیستند. و البته مثل ساعت‌های معمولی از پاندول نوسانگر و یا فنر ارتجاعی استفاده نمی‌کنند.

اصلی‌ترین تفاوت بین ساعت اتاق شما و یک ساعت اتمی این می‌باشد که نوسان در یک ساعت اتمی، بین هسته یک اتم و الکترون‌های اطراف آن رخ می‌دهد. این نوسان دقیقا مثل چرخ بالانس و فنر مویی ساعت کوکی نمی‌باشد، اما در حقیقت هر دو این ساعت‌ها از شمارش نوسان‌ها به منظور محاسبه زمان استفاده می‌کنند.

فرکانس‌های نوسان داخل اتم به وسیله حجم هسته و جاذبه الکترواستاتیک بین قطب مثبت هسته و ابر الکترونی اطراف آن مشخص می‌شوند.

بیشتر بخوانید:

اولین ساعت هوشمند بریل در جهان

انواع ساعت‌های اتمی

امروزه انواع گوناگونی از ساعت‌های اتمی تولید شده‌اند که البته همه آن ها بر پایه یک قانون بنا شده‌اند. در این بین تفاوت اصلی در عنصر استفاده شده و نحوه آشکارسازی در هنگام تغییر سطح انرژی می‌باشد. انواع مختلف ساعت‌های اتمی را می‌توان شامل گروه‌های زیر دانست:

ساعت‌های اتمی سزیمی : این نوع از ساعت‌های اتمی یک پروتون از اتم‌های سزیم را به کار گرفته‌اند. در این ساعت اتم‌های سزیم مختلف با سطوح متفاوت انرژی به وسیله میدان مغناطیسی از همدیگر جدا می‌شوند.

ساعت‌های اتمی هیدروژنی : اتم‌های هیدروژن با سطح خاصی از انرژی را داخل محفظه‌ای با دیوارهایی از فلز ویژه نگهداری می‌کنند، تا اتم‌ها سطح انرژی بالایی که دارند را با سرعت زیادی از دست ندهند.

ساعت‌های اتمی رادیومی : که فشرده‌ترین و ساده‌ترین نوع محسوب می‌شوند که متشکل از یک سلول شیشه‌ای گاز رادیوم هستند. تغییرات در مقدار جذب نور در رادیوم با فرکانس نوری متفاوت زمانی که به وسیله مایکروویو با فرکانس صحیح احاطه شده باشد، موجب کارکرد ساعت خواهد شد.

دقیق ترین ساعت‌های اتمی در حال حاضر از اتم سزیوم و میدان‌های مغناطیسی معمولی همراه با آشکارسازها استفاده می‌کنند. اضافه بر این، اتم‌های سزیم به وسیله اشعه لیزر تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند و اثر دوپلر تاثیر بسیار محدود و کمی بر روی آن‌ها دارد.

ساعت اتمی چه زمانی اختراع شد؟

در سال ۱۹۴۵ میلادی، پروفسور ایسیدور رابی، فیزیک‌دان دانشگاه کلمبیا پیشنهاد کرد که می‌توان با استفاده از تکنیکی که او در سال ۱۹۳۰ آن را توسعه داده است و آن را “رزونانس مغناطیسی شعاع اتمی” نام گذاری کرده بود، یک ساعت خلق کرد. در سال ۱۹۴۹ میلادی، اداره استاندارد اعلام کرد که اولین ساعت اتمی جهان را راه‌اندازی کرده است که از مولکول آمونیاک به عنوان منبع نوسان استفاده می‌کند و در سال ۱۹۵۲ میلادی، همین اداره اعلام کرد که اولین ساعت اتمی به اتم‌های سزیم به عنوان منبع ارتعاش مجهز شده است.

سال ۱۹۵۵ میلادی، لابراتوار ملی فیزیک انگلیس اولین ساعت پرتو سزیمی را تولید کرد. آن‌ها از آن به عنوان مرجع درجه‌بندی و کالیبراسیون بهره می‌بردند. طی یک دهه بعدی، مدل‌های پیشرفته‌تری از ساعت‌های اتمی تولید شدند. در سال ۱۹۶۷ میلادی، سیزدهمین کنفرانس اوزان و مقیاس ها، مرجع اندازه گیری SI ثانیه را بر حسب ارتعاش اتم سزیم تعریف کرد.

از این به بعد دیگر سیستم زمان نگهدار جهانی بر اساس نجوم و ستاره‌شناسی نبود. NBS-4 به عنوان پایدارترین ساعت سزیمی در دنیا در سال ۱۹۶۸ میلادی تکمیل شد و تا دهه ۱۹۹۰ میلادی به عنوان بخشی از سیستم زمانی NIST استفاده می‌شد.

در سال ۱۹۹۹ میلادی، ساعت NIST-F1 با ضریب خطای یک ثانیه در بیست میلیون سال کار خود را آغاز کرد و به یکی از دقیق‌ترین ساعت‌های جهان تبدیل شد. البته این‌ها فقط تاریخچه ساعت‌های کشور آمریکا می‌باشد و دیگر نقاط دنیا هم همگام با این کشور به ساخت و تولید ساعت‌های اتمی بسیار بسیار دقیق مشغول می‌باشند.

ساعت اتمی چیست؟ و زمان چگونه محاسبه می‌شود؟

فرکانس بسیار دقیق رزونانس سزیم ویژه استفاده شده در ساعت‌های اتمی بر اساس یک توافق بین‌المللی ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ هرتز می‌باشد. و زمانی که اعداد را تقسیم کنیم، خروجی آن دقیقا یک هرتز یا یک سیکل در ثانیه است.

دقت طولانی مدت قابل دست‌یابی با ساعت‌های اتمی سزیمی مدرن (تقریبا در همه آن ها)، حدودا در حد یک ثانیه در یک میلیون سال می‌باشد. ساعت‌های اتمی هیدروژنی البته دقت کوتاه مدت بسیار بهتری دارند و تقریبا ۱۰ مرتبه دقیق تر هستند. بنابراین محاسبه زمان با استفاده از ساعت‌های اتمی دقت این کار را حدود یک میلیون بار به نسبت روش‌های قدیمی و بهره‌گیری از تکنیک‌های نجومی بهبود بخشیده است.

در کشور آمریکا، اولین ساعت‌های اتمی تجاری را در ماساچوست با به کارگیری از سزیم خلق کردند. در حال حاضر هم این ساعت‌ها به وسیله شرکت‌های مختلفی در نقاط مختلف دنیا تولید می‌شوند که از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به FTS و HP اشاره کرد. و البته تکنولوژی جدید به صورت دائم در حال بهبود کارایی و عملکرد این ساعت‌ها می‌باشد. تعداد زیادی از ساعت‌های اتمی سزیمی در آزمایشگاه‌های دقیق، هزاران بار بهتر و دقیق‌تر از نمونه‌های تجاری هستند.