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 می‌آيد، يا اينکه باتری ساعت شما تمام شده و آن را تعویض می‌کنيد، از کجا اطلاع دارید که ساعت را روی چه زمانی تنظيم کنيد ؟ یا از کجا می‌دانيد که گذشت زمان چگونه بوده است ؟ يا اينکه چگونه می‌توان گذشت دقيق زمان را بدون اشتباه اندازه گیری کرد ؟ در حالی که ساعت های ما مرتب عقب مانده يا جلو می‌روند. اصلا چطور می‌‌توانيم اينگونه دقيق برای تحويل سال به ساعت‌ ها اعتماد کنيم ؟

در کشور آمریکا زمان استاندارد طبق ساعت مرجع رصد خانه نیروی دریایی (USNO) که مرجع رسمی زمان برای وزارت دفاع می‌باشد، تنظيم می‌شود. تاثير اين مکانيسم در تمام ساعت های مچی، زنگ دار، منشی های تلفنی خودکار، کامپیوتر ها و برنامه های زمان بندی اين کشور قابل مشاهده است.

و به همين صورت در تمام نقاط دنيا ساعت های مرجع به منظور تنظيم زمان وجود دارند. ولی اين ساعت ها چقدر دقيق هستند و از چه نوعی می‌باشند که اين‌طور با اعتماد کامل تمامی محاسبات زمان دنيا را بر روی دوش آن ها قرار داده‌اند ؟ جواب کوتاه، ساعت اتمی است.

ساعت اتمی چیست ؟

آيا ساعت های اتمی رادیو اکتیو هستند ؟

ساعت های اتمی بهتر از هر ساعتی زمان را محاسبه می‌کنند. آن ها حتی دقیق تر از چرخش زمين و حرکت ستارگان گذر زمان را حساب می‌کنند. بدون ساعت های اتمی، مسیر یابی با GPS تقريبا ممکن نیست، ممکن است اینترنت همگام نشده و محتوای منطبقی نداشته باشد، و حتی مشخص کردن موقعيت سياره ها برای سفينه های فضایی و ربات های کاوشگر به صورت دقيق امکان پذير نشود.

ساعت های اتمی رادیو اکتیو نمی‌باشند. آن ها دارای چرخه فروپاشی اتمي نيستند. و البته مثل ساعت های معمولی از پاندول نوسانگر و يا فنر ارتجاعی استفاده نمی‌کنند.

اصلی ترین تفاوت بین ساعت اتاق شما و يک ساعت اتمی اين می‌باشد که نوسان در يک ساعت اتمی، بین هسته يک اتم و الکترون های اطراف آن رخ می‌دهد. اين نوسان دقيقا مثل چرخ بالانس و فنر مویی ساعت کوکی نمی‌باشد، اما در حقیقت هر دو اين ساعت ها از شمارش نوسان ها به منظور محاسبه زمان استفاده می‌کنند.

فرکانس های نوسان داخل اتم به وسیله حجم هسته و جاذبه الکترو استاتيک بین قطب مثبت هسته و ابر الکترونی اطراف آن مشخص می‌شوند.

بیشتر بخوانید:

چرا ساعت را دست چپ می‌بندند؟ 

اولین ساعت هوشمند بریل در جهان

ساعت اتمی چیست ؟

انواع ساعت های اتمی

امروزه انواع گوناگونی از ساعت های اتمی توليد شده‌اند که البته همه آن ها بر پايه يک قانون بنا شده‌اند. در اين بین تفاوت اصلی در عنصر استفاده شده و نحوه آشکار سازی در هنگام تغيير سطح انرژی می‌باشد. انواع مختلف ساعت های اتمی را می‌توان شامل گروه های زیر دانست :

ساعت های اتمی سزیمی : این نوع از ساعت های اتمی يک پروتون از اتم های سزيم را به کار گرفته‌اند. در اين ساعت اتم های سزيم مختلف با سطوح متفاوت انرژی به وسیله ميدان مغناطیسی از همدیگر جدا می‌شوند.

ساعت های اتمی هیدروژنی : اتم های هيدروژن با سطح خاصی از انرژی را داخل محفظه‌ای با دیوار هایی از فلز ويژه نگهداری می‌کنند، تا اتم ها سطح انرژی بالایی که دارند را با سرعت زیادی از دست ندهند.

ساعت های اتمی رادیومی : که فشرده ترين و ساده ترين نوع محسوب می‌شوند که متشکل از يک سلول شيشه‌ای گاز راديوم هستند. تغييرات در مقدار جذب نور در راديوم با فرکانس نوری متفاوت زمانی که به وسیله مايکروويو با فرکانس صحيح احاطه شده باشد، موجب کارکرد ساعت خواهد شد.

دقيق ترين ساعت های اتمی در حال حاضر از اتم سزيوم و ميدان های مغناطیسی معمولی همراه با آشکار ساز ها استفاده می‌کنند. اضافه بر اين، اتم های سزيم به وسیله اشعه ليزر تحت تاثير قرار نمی‌گیرند و اثر دوپلر تاثير بسيار محدود و کمی بر روی آن ها دارد.

ساعت اتمی چیست ؟

ساعت اتمی چه زمانی اختراع شد ؟

در سال ۱۹۴۵ میلادی، پروفسور ايسيدور رابی، فیزیک‌دان دانشگاه کلمبيا پيشنهاد کرد که می‌توان با استفاده از تکنیکی که او در سال ۱۹۳۰ آن را توسعه داده است و آن را “رزنانس مغناطیسی شعاع اتمی” نام گذاری کرده بود، يک ساعت خلق کرد. در سال ۱۹۴۹ میلادی، اداره استاندارد اعلام کرد که اولين ساعت اتمی جهان را راه اندازی کرده است که از ملکول آمونياک به عنوان منبع نوسان استفاده می‌کند و در سال ۱۹۵۲ میلادی، همین اداره اعلام کرد که اولين ساعت اتمی به اتم های سزيم به عنوان منبع ارتعاش مجهز شده است.

سال ۱۹۵۵ میلادی، لابراتوار ملی فيزيک انگليس اولين ساعت پرتو سزيمی را توليد کرد. آن ها از آن به عنوان مرجع درجه بندی و کاليبراسيون بهره می‌بردند. طی يک دهه بعدی، مدل های پيشرفته تری از ساعت های اتمی تولید شدند. در سال ۱۹۶۷ میلادی، سيزدهمين کنفرانس اوزان و مقياس ها، مرجع اندازه گیری SI ثانيه را بر حسب ارتعاش اتم سزيم تعريف کرد.

از اين به بعد ديگر سيستم زمان نگهدار جهانی بر اساس نجوم و ستاره شناسی نبود. NBS-4 به عنوان پایدار ترین ساعت سزیمی در دنیا در سال ۱۹۶۸ میلادی تکمیل شد و تا دهه ۱۹۹۰ میلادی به عنوان بخشی از سيستم زمانی NIST استفاده می‌شد.

در سال ۱۹۹۹ میلادی، ساعت NIST-F1 با ضريب خطای يک ثانيه در بيست ميليون سال کار خود را آغاز کرد و به یکی از دقيق ترين ساعت های جهان تبدیل شد. البته اين ها فقط تاريخچه ساعت های کشور آمریکا می‌باشد و ديگر نقاط دنيا هم همگام با اين کشور به ساخت و تولید ساعت های اتمی بسيار بسیار دقيق مشغول می‌باشند.

ساعت اتمی چیست ؟

ساعت اتمی چیست و زمان چگونه محاسبه می شود ؟

فرکانس بسیار دقيق رزونانس سزيم ويژه استفاده شده در ساعت های اتمی بر اساس يک توافق بين‌المللی ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ هرتز می‌باشد. و زمانی که اعداد را تقسيم کنيم، خروجی آن دقيقا يک هرتز يا يک سيکل در ثانيه است.

دقت طولانی مدت قابل دست یابی با ساعت های اتمی سزیمی مدرن (تقريبا در همه آن ها)، حدودا در حد يک ثانيه در يک ميليون سال می‌باشد. ساعت های اتمی هیدروژنی البته دقت کوتاه مدت بسيار بهتری دارند و تقریبا ۱۰ مرتبه دقيق تر هستند. بنابراین محاسبه زمان با استفاده از ساعت های اتمی دقت این کار را حدود يک ميليون بار به نسبت روش های قدیمی و بهره گیری از تکنيک های نجومی بهبود بخشيده است.

در کشور آمريکا، اولين ساعت های اتمی تجاری را در ماساچوست با به کارگیری از سزيم خلق کردند. در حال حاضر هم اين ساعت ها به وسیله شرکت های مختلفی در نقاط مختلف دنيا توليد می‌شوند که از معروف ترین آن ها می‌توان به FTS و HP اشاره کرد. و البته تکنولوژی جديد به صورت دائم در حال بهبود کارایی و عملکرد اين ساعت ها می‌باشد. تعداد زیادی از ساعت های اتمی سزیمی در آزمايشگاه های دقيق، هزاران بار بهتر و دقیق تر از نمونه های تجاری هستند.