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 ساعت‌های 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 رصدخانه نیروی دریایی (USNO) که مرجع رسمی زمان برای وزارت دفاع می‌باشد، تنظيم می‌شود. تاثير اين مکانيسم در تمام ساعت‌های مچی، زنگ‌دار، منشی‌های تلفنی خودکار، کامپیوترها و برنامه‌های زمان‌بندی اين کشور قابل مشاهده است.
و به همين صورت در تمام نقاط دنيا ساعت‌های مرجع به منظور تنظيم زمان وجود دارند. ولی اين ساعت‌ها چقدر دقيق هستند و از چه نوعی می‌باشند که اين‌طور با اعتماد کامل تمامی محاسبات زمان دنيا 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 300 میلیون سال 1 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.
آيا 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 زمين و حرکت ستارگان گذر زمان را حساب می‌کنند. بدون ساعت‌های اتمی، مسیر یابی با GPS تقريبا ممکن نیست، ممکن است اینترنت همگام نشده و محتوای منطبقی نداشته باشد، و حتی مشخص کردن موقعيت سياره‌ها برای سفينه‌های فضایی و ربات‌های کاوشگر به صورت دقيق امکان‌پذير نشود.
ساعت‌های اتمی رادیو اکتیو نمی‌باشند. آن ها دارای چرخه فروپاشی اتمي نيستند. و البته مثل ساعت‌های معمولی از پاندول نوسانگر و يا فنر ارتجاعی استفاده نمی‌کنند.
اصلی‌ترین تفاوت بین ساعت اتاق شما و يک ساعت اتمی اين می‌باشد که نوسان در يک ساعت اتمی، بین هسته يک اتم و الکترون‌های اطراف آن رخ می‌دهد. اين نوسان دقيقا مثل چرخ بالانس و فنر مویی ساعت کوکی نمی‌باشد، اما در حقیقت هر دو اين ساعت‌ها از شمارش نوسان‌ها به منظور محاسبه زمان استفاده می‌کنند.
فرکانس‌های نوسان داخل اتم به وسیله حجم هسته و جاذبه الکترواستاتيک 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 توليد شده‌اند که البته همه آن ها بر پايه يک قانون بنا شده‌اند. در اين بین تفاوت اصلی در عنصر استفاده شده و نحوه آشکارسازی در هنگام تغيير سطح انرژی می‌باشد. انواع مختلف ساعت‌های اتمی را می‌توان شامل گروه‌های زیر دانست:
ساعت‌های اتمی سزیمی : این نوع از ساعت‌های اتمی يک پروتون از اتم‌های سزيم را به کار گرفته‌اند. در اين ساعت اتم‌های سزيم مختلف با سطوح متفاوت انرژی به وسیله ميدان مغناطیسی از همدیگر جدا می‌شوند.
ساعت‌های اتمی هیدروژنی : اتم‌های هيدروژن با سطح خاصی از انرژی را داخل محفظه‌ای با دیوارهایی از فلز ويژه نگهداری می‌کنند، تا اتم‌ها سطح انرژی بالایی که دارند را با سرعت زیادی از دست ندهند.
ساعت‌های اتمی رادیومی : که فشرده‌ترين و ساده‌ترين 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 ساعت‌های اتمی در حال حاضر از اتم سزيوم و ميدان‌های مغناطیسی معمولی همراه با آشکارسازها استفاده می‌کنند. اضافه بر اين، اتم‌های سزيم به وسیله اشعه ليزر تحت تاثير قرار نمی‌گیرند و اثر دوپلر تاثير بسيار محدود و کمی بر روی آنها دارد.
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 “رزونانس 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 راه‌اندازی کرده است که از مولکول آمونياک به عنوان منبع نوسان استفاده می‌کند و در سال ۱۹۵۲ میلادی، همین اداره اعلام کرد که اولين ساعت اتمی به اتم‌های سزيم به عنوان منبع ارتعاش مجهز شده است.
سال ۱۹۵۵ میلادی، لابراتوار ملی فيزيک انگليس اولين ساعت پرتو سزيمی را توليد کرد. آنها از آن به عنوان مرجع درجه‌بندی و کاليبراسيون بهره می‌بردند. طی يک دهه بعدی، مدل‌های پيشرفته‌تری از ساعت‌های 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 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 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 دقيق‌ترين ساعت‌های جهان تبدیل شد. البته اين‌ها فقط تاريخچه ساعت‌های کشور آمریکا می‌باشد و ديگر نقاط دنيا هم همگام با اين کشور به ساخت و تولید ساعت‌های اتمی بسيار بسیار دقيق مشغول می‌باشند.
ساعت اتمی چیست؟ و زمان چگونه محاسبه می‌شود؟
فرکانس بسیار دقيق رزونانس سزيم ويژه استفاده شده در ساعت‌های 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 دست‌یابی با ساعت‌های اتمی سزیمی مدرن (تقريبا در همه آن ها)، حدودا در حد يک ثانيه در يک ميليون سال می‌باشد. ساعت‌های اتمی هیدروژنی البته دقت کوتاه مدت بسيار بهتری دارند و تقریبا ۱۰ مرتبه دقيق تر هستند. بنابراین محاسبه زمان با استفاده از ساعت‌های اتمی دقت این کار را حدود يک ميليون بار به نسبت روش‌های قدیمی و بهره‌گیری از تکنيک‌های نجومی بهبود بخشيده است.
در کشور آمريکا، اولين ساعت‌های اتمی تجاری را در ماساچوست با به کارگیری از سزيم خلق کردند. در حال حاضر هم اين ساعت‌ها به وسیله شرکت‌های مختلفی در نقاط مختلف دنيا توليد می‌شوند که از معروف‌ترین آنها می‌توان به FTS و HP اشاره کرد. و البته تکنولوژی جديد به صورت دائم در حال بهبود کارایی و عملکرد اين ساعت‌ها می‌باشد. تعداد زیادی از ساعت‌های اتمی سزیمی در آزمايشگاه‌های دقيق، هزاران بار بهتر و دقیق‌تر از نمونه‌های تجاری هستند.
