Atomska ura: princip delovanja. Atomska ura: točen čas je ključ do napredka Atomska ura glej čas

Atomska ura

Če ocenjujemo natančnost kvarčnih ur z vidika njihove kratkoročne stabilnosti, potem je treba reči, da je ta natančnost precej višja kot pri urah z nihalom, ki pa kažejo večjo stabilnost pri dolgotrajnih meritvah. Pri kvarčnih urah je nepravilno gibanje posledica sprememb v notranji strukturi kremena in nestabilnosti elektronskih sistemov.

Glavni vir frekvenčne nestabilnosti je staranje kvarčnega kristala, ki sinhronizira frekvenco oscilatorja. Res je, meritve so pokazale, da staranje kristala, ki ga spremlja povečanje frekvence, poteka brez velikih nihanj in nenadnih sprememb. Kljub. To staranje poslabša pravilno delovanje kvarčne ure in narekuje potrebo po rednem spremljanju z drugo napravo z oscilatorjem, ki ima stabilen, nespremenljiv frekvenčni odziv.

Hiter razvoj mikrovalovne spektroskopije po drugi svetovni vojni je odprl nove možnosti za natančno merjenje časa preko frekvenc, ki ustrezajo ustreznim spektralnim linijam. Te frekvence, ki bi jih lahko šteli za frekvenčne standarde, so vodile do ideje o uporabi kvantnega oscilatorja kot časovnega standarda.

Ta odločitev je bila zgodovinski preobrat v zgodovini kronometrije, saj je pomenila zamenjavo prej veljavne astronomske enote za čas z novo kvantno enoto za čas. To novo časovno enoto smo uvedli kot periodo sevanja točno določenih prehodov med energijskimi nivoji molekul nekaterih posebej izbranih snovi. Po intenzivnem raziskovanju tega problema v zgodnjih povojnih letih je bilo mogoče zgraditi napravo, ki deluje na principu kontrolirane absorpcije mikrovalovne energije v tekočem amoniaku pri zelo nizkih tlakih. Vendar pa prvi poskusi z napravo, opremljeno z absorpcijskim elementom, niso dali pričakovanih rezultatov, saj je zaradi širjenja absorpcijske črte, ki ga povzročajo medsebojni trki molekul, težko določiti frekvenco samega kvantnega prehoda. Samo z metodo ozkega snopa prosto letečih molekul amoniaka v ZSSR A.M. Prohorov in N.G. Basovu in v ZDA Townesu s Columbia University uspelo bistveno zmanjšati verjetnost medsebojnih trkov molekul in praktično odpraviti širjenje spektralne črte. V teh okoliščinah bi lahko molekule amoniaka že igrale vlogo atomskega generatorja. Ozek snop molekul, izpuščen skozi šobo v vakuumski prostor, prehaja skozi neenakomerno elektrostatično polje, v katerem se molekule ločijo. Molekule v višjem kvantnem stanju so bile usmerjene v uglašen resonator, kjer so sproščale elektromagnetno energijo pri konstantni frekvenci 23.870.128.825 Hz. To frekvenco nato primerjamo s frekvenco kvarčnega oscilatorja, vključenega v vezje atomske ure. Na tem principu je bil zgrajen prvi kvantni generator, amoniakov maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

N.G. Basov, A.M. Prokhorov in Townes sta leta 1964 za to delo prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

Znanstveniki iz Švice, Japonske, Nemčije, Velike Britanije, Francije in ne nazadnje Češkoslovaške so preučevali tudi stabilnost frekvence amonijevih maserjev. V obdobju 1968-1979. Na Inštitutu za radiotehniko in elektroniko Češkoslovaške akademije znanosti so izdelali in poskusno zagnali več amoniakovih maserjev, ki so služili kot frekvenčni standardi za shranjevanje točnega časa v češkoslovaških atomskih urah. Dosegli so stabilnost frekvence reda 10-10, kar ustreza dnevnim variacijam 20 milijonink sekunde.

Trenutno se standardi atomske frekvence in časa uporabljajo predvsem za dva glavna namena – za merjenje časa ter za umerjanje in spremljanje standardov bazalne frekvence. V obeh primerih se frekvenca kvarčnega generatorja ure primerja s frekvenco atomskega standarda.

Pri merjenju časa redno primerjamo frekvenco atomskega etalona in frekvenco kristalnega generatorja ure ter na podlagi ugotovljenih odstopanj določimo linearno interpolacijo in povprečni časovni popravek. Pravi čas se nato pridobi iz vsote odčitkov kvarčne ure in tega povprečnega popravka časa. V tem primeru je napaka, ki je posledica interpolacije, določena z naravo staranja kristala kvarčne ure.

Izjemni rezultati, doseženi z atomskimi časovnimi standardi, z napako le 1 s na tisoč let, so bili razlog, da je bila na trinajsti generalni konferenci za uteži in mere, ki je bila oktobra 1967 v Parizu, dana nova definicija enote za čas. - atomska sekunda, ki je bila zdaj definirana kot 9.192.631.770 oscilacij sevanja atoma cezija-133.

Kot smo navedli zgoraj, se s staranjem kremenčevega kristala frekvenca nihanja kvarčnega oscilatorja postopoma povečuje in razlika med frekvencama kremenčevega in atomskega oscilatorja nenehno narašča. Če je krivulja staranja kristala pravilna, potem je dovolj, da nihanje kremena korigiramo le občasno, vsaj v nekajdnevnih intervalih. Na ta način ni treba, da je atomski oscilator trajno povezan s sistemom kvarčne ure, kar je zelo ugodno, saj je prodor motečih vplivov v merilni sistem omejen.

Švicarska atomska ura z dvema molekularnima oscilatorjema amoniaka, predstavljena na svetovni razstavi v Bruslju leta 1958, je dosegla natančnost stotisočinke sekunde na dan, kar je približno tisočkrat bolj natančno od natančnih ur z nihalom. Ta natančnost že omogoča preučevanje periodičnih nestabilnosti v hitrosti vrtenja zemeljske osi. Graf na sl. 39, ki je nekakšen prikaz zgodovinskega razvoja kronometričnih inštrumentov in izpopolnjevanja metod za merjenje časa, prikazuje, kako se je v nekaj stoletjih skoraj čudežno povečevala natančnost merjenja časa. Samo v zadnjih 300 letih se je ta natančnost povečala za več kot 100.000-krat.

riž. 39. Natančnost kronometričnih instrumentov v obdobju od 1930 do 1950.

Kemik Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) je prvi odkril cezij, katerega atomi so ob pravilno izbranih pogojih sposobni absorbirati elektromagnetno sevanje s frekvenco okoli 9192 MHz. To lastnost sta Sherwood in McCracken uporabila za ustvarjanje prvega cezijevega resonatorja. Kmalu zatem se je L. Essen, ki je delal v Nacionalnem fizikalnem laboratoriju v Angliji, usmeril v praktično uporabo cezijevega resonatorja za merjenje frekvenc in časa. V sodelovanju z astronomsko skupino United States Nevel Observatory je že v letih 1955-1958. določil frekvenco kvantnega prehoda cezija pri 9.192.631.770 Hz in jo povezal s takrat aktualno definicijo efemeridne sekunde, kar je veliko kasneje, kot je navedeno zgoraj, pripeljalo do uveljavitve nove definicije časovne enote. Naslednji cezijevi resonatorji so bili izdelani v Nacionalnem raziskovalnem svetu Kanade v Ottawi, v švicarskem laboratoriju des Researches Horlogeres v Neuchâtelu itd. Prvi komercialni tip industrijsko izdelane atomske ure je leta 1956 pod imenom Atomichron dal na trg leta 1956. Ameriško podjetje National Company Walden" v Massachusettsu.

Kompleksnost atomskih ur nakazuje, da je uporaba atomskih oscilatorjev možna le na področju laboratorijskega merjenja časa z uporabo velikih merilnih naprav. Pravzaprav je bilo tako do nedavnega. Vendar je miniaturizacija prodrla tudi na to področje. Znano japonsko podjetje Seiko-Hattori, ki proizvaja kompleksne kronografe s kristalnimi oscilatorji, je ponudilo prvo atomsko ročno uro, ki je bila tudi tokrat izdelana v sodelovanju z ameriškim podjetjem McDonnell Douglas Astronautics Company. To podjetje proizvaja tudi miniaturno gorivno celico, ki je vir energije za omenjene ure. Električna energija v tem elementu meri 13? 6,4 mm proizvaja radioizotop prometij-147; Življenjska doba tega elementa je pet let. Ohišje ure iz tantala in nerjavečega jekla je zadostna zaščita pred beta žarki elementa, ki se oddajajo v okolje.

Astronomske meritve, preučevanje gibanja planetov v vesolju in različne radioastronomske študije zdaj ne morejo brez poznavanja točnega časa. Natančnost, ki se zahteva od kvarčnih ali atomskih ur v takšnih primerih, se spreminja v milijoninkah sekunde. Z naraščajočo natančnostjo posredovanih informacij o času so naraščale težave s sinhronizacijo ure. Nekoč povsem zadovoljiva metoda radijskega oddajanja časovnih signalov na kratkih in dolgih valovih se je izkazala za premalo natančna za sinhronizacijo dveh časovnih naprav, ki se nahajata blizu drug drugemu, z natančnostjo večjo od 0,001 s, zdaj pa tudi ta stopnja natančnosti ni večja. dlje zadovoljivo.

Eno od možnih rešitev - prevoz pomožnih ur na mesto primerjalnih meritev - je ponudila miniaturizacija elektronskih elementov. V zgodnjih 60. letih prejšnjega stoletja so bile izdelane posebne kvarčne in atomske ure, ki so jih lahko prevažali na letalih. Prevažali so jih lahko med astronomskimi laboratoriji, hkrati pa so zagotavljali informacijo o času z natančnostjo ene milijoninke sekunde. Na primer, ko so leta 1967 medcelinsko prevažali miniaturne cezijeve ure kalifornijskega podjetja Hewlett-Packard, je ta naprava šla skozi 53 laboratorijev po vsem svetu (bila je tudi na Češkoslovaškem) in z njeno pomočjo so bile tamkajšnje ure natančno sinhronizirane. 0,1 µs (0,0000001 s).

Komunikacijske satelite je mogoče uporabiti tudi za mikrosekundne časovne primerjave. Leta 1962 sta to metodo uporabili Velika Britanija in Združene države Amerike z oddajanjem časovnega signala preko satelita Telestar. Precej ugodnejše rezultate ob nižjih stroških pa je dosegel prenos signala s televizijsko tehnologijo.

Ta način oddajanja natančnega časa in frekvence z impulzi televizijske ure je bil razvit in razvit v češkoslovaških znanstvenih ustanovah. Pomožni nosilec časovne informacije so tu sinhronizacijski videoimpulzi, ki nikakor ne motijo prenosa televizijskega programa. V tem primeru v televizijski slikovni signal ni treba vnašati dodatnih impulzov.

Pogoj za uporabo te metode je, da lahko na lokacijah primerjanih ur sprejemamo isti televizijski program. Ure, ki se primerjajo, so vnaprej nastavljene na nekaj milisekund natančno, meritev pa je nato treba izvajati na vseh merilnih postajah hkrati. Poleg tega je treba poznati časovno razliko, ki je potrebna za prenos sinhronizacijskih impulzov iz skupnega vira, ki je televizijski sinhronizator, do sprejemnikov na lokaciji primerjanih ur.

Iz knjige Kako so ljudje odkrili svojo deželo avtor Tomilin Anatolij Nikolajevič

Jedrski ledolomilci druge generacije Po vodilni ladji flote ledolomilcev - jedrskem ledolomilcu "Lenin" so v Leningradu zgradili še tri jedrske ledolomilce, atomske junake. Imenujejo se ledolomilci druge generacije. Kaj to pomeni? Morda najprej pri ustvarjanju novega

Iz knjige Zlomljen meč imperija avtor Kalašnikov Maksim

14. POGLAVJE PREKINJEN LET ORLOV. RUSKE KRIŽARKE - TEŽKE, JEDRSKE, RAKETNE ... 1 Te knjige ne ustvarjamo kot objokovanje izgubljene veličine. Čeprav lahko napišemo na desetine strani, ki prikazujejo trenutno (napisano leta 1996) stanje nekdaj velike flote

Iz knjige Druga svetovna vojna avtorja Beevor Anthony

50. poglavje Atomske bombe in poraz Japonske maj–september 1945 Ko se je Nemčija maja 1945 predala, so japonske vojske na Kitajskem prejele ukaz iz Tokia, naj se začnejo umikati na vzhodno obalo. Čang Kaj-šekove nacionalistične čete so bile med Japonci hudo potolčene

avtor

Sončna ura Nedvomno je bila najpogostejša kronometrična naprava sončna ura, ki je temeljila na navideznem dnevnem in včasih letnem gibanju Sonca. Takšne ure so se pojavile šele prej, ko je človek spoznal razmerje med dolžino in položajem sence od njih

Iz knjige Druga zgodovina znanosti. Od Aristotela do Newtona avtor Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Vodne ure Sončne ure so bile preprost in zanesljiv kazalnik časa, vendar so imele resne pomanjkljivosti: njihovo delovanje je bilo odvisno od vremena in je bilo omejeno na čas med sončnim vzhodom in zahodom. Nobenega dvoma ni, da so znanstveniki zaradi tega začeli iskati druge

Iz knjige Druga zgodovina znanosti. Od Aristotela do Newtona avtor Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Ognjene ure Poleg sončnih in vodnih so se v začetku 13. stoletja pojavile tudi prve ognjene ali svečne ure. To so tanke sveče, dolge približno meter, z natisnjeno lestvico po vsej dolžini. Razmeroma natančno so kazale čas, ponoči pa so osvetljevale tudi domove cerkva in

Iz knjige Druga zgodovina znanosti. Od Aristotela do Newtona avtor Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Peščena ura Tudi datum prve peščene ure ni znan. Vendar so se, tako kot oljne svetilke, pojavile prej kot prozorno steklo. Menijo, da so v zahodni Evropi za peščeno uro izvedeli šele ob koncu srednjega veka; ena najstarejših omemb

Iz knjige The Hunt for the Atomic Bomb: KGB File No. 13 676 avtor Čikov Vladimir Matvejevič

3. Kako se rodijo atomski vohuni

Iz knjige Sakura in hrast (zbirka) avtor Ovčinnikov Vsevolod Vladimirovič

Ura brez kazalcev »Dediči družbe, ki je preveč vložila v imperij; ljudje, obdani z razpadajočimi ostanki topljene dediščine, se v kriznem trenutku niso mogli prisiliti, da bi opustili spomine na preteklost in spremenili svoj zastareli način življenja. Adijo obraz

Iz knjige Druga svetovna vojna: napake, zmote, izgube avtor Dayton Len

20. URE TEME Zapojmo pesem o mladih pilotih, Če ne bi bilo vojne, bi sedeli v šolski klopi. Pesem št. 55 eskadrilje RAF, napisana okoli leta 1918 Britanski lovci so zmagali v bitki za Britanijo, lovska letala pa so trpela

Iz knjige Vsakdanje življenje plemiškega razreda v Katarinini zlati dobi avtor Eliseeva Olga Igorevna

V jutranjih urah je cesarica sama zakurila kamin, prižgala sveče in svetilko ter sedla za svojo mizo v zrcalni pisarni - prve ure dneva so bile namenjene njenim osebnim literarnim vajam. Nekoč je Gribovskemu rekla, da "ne moreš preživeti dneva brez polulanja."

Iz knjige Velika zmaga na Daljnem vzhodu. Avgust 1945: od Transbaikalije do Koreje [urejeno] avtor Aleksandrov Anatolij Andrejevič

VII. poglavje Ameriški atomski napadi 1. 25. april se je za oba sogovornika izkazal za posebej opaznega. Vojni sekretar Stimson je bil na to poročilo pripravljen že od začetka meseca, vendar je nenadna smrt predsednika Roosevelta prekinila urnike stikov visokih uradnikov.

Iz knjige Ruska Amerika avtor Burlak Vadim Niklasovič

V urah počitka je Baranov slovel po svoji gostoljubnosti in ljubezni do gostij. Tega so se spominjali Rusi, domačini in tuji mornarji. Tudi v času lakote v koloniji je našel priložnost, da pogosti povabljene in naključne goste.

Iz knjige Ramzesov Egipt avtor Monte Pierre

IV. Ura Egipčani so leto razdelili na dvanajst mesecev in na enak način dan na dvanajst ur in noč na dvanajst. Malo verjetno je, da so uro razdelili na manjša časovna obdobja. Beseda "at", ki je prevedena kot "trenutek", nima posebnega

Iz knjige The World's Biggest Spies avtorja Wighton Charles

12. POGLAVJE »ATOMSKI« VOHUNI Ob zori 16. julija 1945, ko so se Churchill, Truman in Stalin zbrali v Berlinu na Potsdamski konferenci, je v puščavi Alamogordo v Novi Mehiki eksplodirala prva atomska bomba. Na hribih, dvajset milj od mesta eksplozije, se je nahajal

Iz knjige Ruski raziskovalci - slava in ponos Rusije avtor Glazyrin Maksim Jurijevič

Atomski reaktorji in elektronski kristali Konstantin Chilovsky (r. 1881), ruski inženir, izumitelj. Izumil napravo za odkrivanje podmornic, ki se je pogosto uporabljala med prvo svetovno vojno (1914–1918). Za svoj izum je bil odlikovan s francoskim redom.

Ste že kdaj opazili, da ure v vaši hiši kažejo drugačen čas? In kako veste, katera od vseh možnosti je pravilna? Odgovore na vsa ta vprašanja bomo izvedeli s temeljitim preučevanjem principa delovanja atomskih ur.

Članek je namenjen osebam, starejšim od 18 let

Ste že dopolnili 18 let?

Atomska ura: opis in princip delovanja

Najprej razumemo, kaj je mehanizem atomske ure. Atomska ura je naprava, s katero se meri čas, vendar kot periodičnost procesa uporablja lastne vibracije, vse pa se dogaja na atomski in molekularni ravni. Od tod taka natančnost.

Lahko rečemo, da so atomske ure najbolj natančne! Po njihovi zaslugi na svetu delujeta internet in GPS navigacija, poznamo natančno lokacijo planetov v sončnem sistemu. Napaka te naprave je tako minimalna, da lahko z gotovostjo trdimo, da so v svetovnem merilu! Zahvaljujoč atomski uri se zgodi celotna svetovna sinhronizacija, ve se, kje so določene spremembe.

Kdo je izumil, kdo ustvaril in tudi kdo se je domislil te čudežne ure?

Že v zgodnjih štiridesetih letih dvajsetega stoletja je bil znan atomski žarek magnetne resonance. Sprva njegova uporaba ni imela nobene zveze z urami - bila je le teorija. Toda že leta 1945 je Isidor Rabi predlagal izdelavo naprave, katere koncept je bil, da bi delovali na podlagi zgoraj opisane tehnike. Vendar so bili zasnovani tako, da niso pokazali natančnih rezultatov. In že leta 1949 je Nacionalni urad za standarde obvestil ves svet o ustvarjanju prve atomske ure, ki je temeljila na molekularnih spojinah amoniaka, že leta 1952 pa so bile obvladane tehnologije za ustvarjanje prototipa na osnovi atomov cezija.

Ko smo slišali za atome amoniaka in cezija, se postavlja vprašanje: ali je ta čudovita ura radioaktivna? Odgovor je jasen – ne! V njih ni atomskega razpada.

Dandanes obstaja veliko materialov, iz katerih so izdelane atomske ure. Na primer, to je silicij, kremen, aluminij in celo srebro.

Kako naprava deluje?

Ugotovimo, kako izgleda in kako deluje atomska ura. Da bi to naredili, ponujamo opis njihovega dela:

Za pravilno delovanje te posebne ure ni potrebno niti nihalo niti kvarčni oscilator. Uporabljajo signale, ki izhajajo iz kvantnega prehoda posameznega elektrona med dvema energijskima nivojema atoma. Posledično lahko opazujemo elektromagnetno valovanje. Z drugimi besedami, dobimo pogosta nihanja in izjemno visoko stopnjo stabilnosti sistema. Vsako leto se zaradi novih odkritij procesi posodabljajo. Nedolgo nazaj so strokovnjaki z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) postali rekorderji in postavili absolutni svetovni rekord. Točnost atomske ure (na osnovi stroncija) jim je uspelo spraviti na najmanjše odstopanje, in sicer: v 15 milijardah let mine ena sekunda. Da, da, niste mislili tako, točno to starost je trenutno dodeljena našemu vesolju. To je kolosalno odkritje! Navsezadnje je stroncij odigral najpomembnejšo vlogo v tem zapisu. Analog "klopa" so bili gibljivi atomi stroncija v njegovi prostorski mreži, ki so jih znanstveniki ustvarili z laserjem. Kot vedno v znanosti, se v teoriji vse zdi očarljivo in že izboljšano, vendar se lahko nestabilnost takšnega sistema v praksi izkaže za manj veselo. Prav zaradi svoje nestabilnosti je cezijeva naprava pridobila svetovno popularnost.

Zdaj pa poglejmo, iz česa je sestavljena taka naprava. Glavne podrobnosti tukaj so:

kvantni diskriminator;
kvarčni generator;
elektronika.

Kvarčni oscilator je podoben samooscilatorju, vendar za ustvarjanje resonančnega elementa uporablja piezoelektrične načine kremenčevega kristala.

S kvantnim diskriminatorjem in kvarčnim oscilatorjem se pod vplivom njune frekvence primerjata in ko je zaznana razlika, povratno vezje zahteva, da se kvarčni oscilator prilagodi zahtevani vrednosti in poveča stabilnost in natančnost. Posledično na izhodu vidimo točno vrednost na številčnici in s tem točen čas.

Prvi modeli so bili precej veliki, a oktobra 2013 je podjetje Bathys Hawaii poskrbelo za sloves z izdajo miniaturne atomske ročne ure.Sprva so vsi to izjavo vzeli za šalo, kmalu pa je postalo jasno, da je res in deluje na osnovi atomskega vira cezija 133. Varnost naprave zagotavlja dejstvo, da je radioaktivni element v obliki plina v posebni kapsuli. Fotografije te naprave so se razširile po vsem svetu.

Veliko ljudi na temo atomskih ur zanima vprašanje vira energije. Kot baterija se uporablja litij-ionska baterija. A žal še ni znano, kako dolgo bo takšna baterija zdržala.

Ura BathysHawaii je bila resnično prva atomska ročna ura. Prej so bili že znani primeri izdaje razmeroma prenosne naprave, vendar na žalost ni imela atomskega vira energije, temveč le sinhronizirana z resnično dimenzionalno uro prek brezžičnega radia. Omeniti velja tudi stroške takšnega pripomočka. Užitek je bil ocenjen na 12 tisoč ameriških dolarjev. Jasno je bilo, da s takšno ceno ura ne bo pridobila široke priljubljenosti, vendar si podjetje za to ni prizadevalo, saj jo je izdalo v zelo omejeni seriji.

Poznamo več vrst atomskih ur. V njihovi zasnovi in načelih ni bistvenih razlik, vendar še vedno obstajajo nekatere razlike. Glavni so torej načini iskanja sprememb in njihovi elementi. Razlikujemo lahko naslednje vrste ur:

vodik. Njihovo bistvo je v tem, da so vodikovi atomi podprti na zahtevani energijski ravni, vendar so stene izdelane iz posebnega materiala. Na podlagi tega sklepamo, da so atomi vodika tisti, ki zelo hitro izgubijo energijsko stanje.
cezij. Temeljijo na cezijevih žarkih. Omeniti velja, da so te ure najbolj natančne.
Rubidij. So najpreprostejši in zelo kompaktni.

Kot smo že omenili, so atomske ure zelo drag pripomoček. Tako je žepna ura Hoptroff št. 10 svetel predstavnik nove generacije igrač. Cena tako elegantnega in zelo natančnega dodatka je 78 tisoč dolarjev. Izdelanih je bilo le 12 primerkov. Mehanizem te naprave uporablja visokofrekvenčni oscilacijski sistem, ki je opremljen tudi z GPS signalom.

Podjetje se ni ustavilo pri tem, pri svoji deseti različici ure pa želi uporabiti metodo postavitve mehanizma v zlato ohišje, ki bo natisnjeno na priljubljenem 3D-tiskalniku. Ni še natančno izračunano, koliko zlata bo porabljenega za to različico ohišja, je pa že znana predvidena maloprodajna cena te mojstrovine - bila je približno 50 tisoč funtov sterlingov. In to ni končna cena, čeprav upošteva vse obsege raziskav, pa tudi novost in edinstvenost samega pripomočka.

Zgodovinska dejstva o uporabi ur

Kako naj govorimo o atomskih urah, ne da bi omenili najbolj zanimiva dejstva, ki so povezana z njimi in časom nasploh:

Ste vedeli, da so najstarejšo sončno uro našli v starem Egiptu?
Napaka atomskih ur je minimalna - znaša le 1 sekundo na 6 milijonov let.
Vsi vedo, da je minuta 60 sekund. Le malo ljudi pa se je poglobilo v to, koliko milisekund je v eni sekundi? In ni jih veliko in ne malo – tisoč!
Vsak turist, ki je lahko obiskal London, je vedno želel videti Big Ben na lastne oči. A na žalost malokdo ve, da Big Ben sploh ni stolp, temveč ime ogromnega zvona, ki tehta 13 ton in zvoni v notranjosti stolpa.
Ste se kdaj vprašali, zakaj gredo kazalci pri naših urah od leve proti desni ali, kot smo včasih rekli, »v smeri urnega kazalca«? To dejstvo je neposredno povezano z načinom premikanja sence na sončni uri.
Prve ročne ure so bile izumljene že leta 1812. Izdelal jih je ustanovitelj Bregueta za neapeljsko kraljico.
Pred prvo svetovno vojno so ročne ure veljale le za ženski pripomoček, kmalu pa se je zanje zaradi priročnosti odločil tudi moški del populacije.

Isidor Rabi, profesor fizike na univerzi Columbia, je predlagal še nikoli viden projekt: uro, ki deluje na principu atomskega žarka magnetne resonance. To se je zgodilo leta 1945, že leta 1949 pa je Nacionalni urad za standarde izdal prvi delujoči prototip. Prebral je vibracije molekule amoniaka. Cezij je prišel v uporabo veliko kasneje: model NBS-1 se je pojavil šele leta 1952.

Nacionalni fizikalni laboratorij v Angliji je leta 1955 ustvaril prvo uro s cezijevim žarkom. Več kot deset let kasneje je bila med generalno konferenco za uteži in mere predstavljena naprednejša ura, ki je prav tako temeljila na tresljajih v atomu cezija. Model NBS-4 je bil v uporabi do leta 1990.

Vrste ročnih ur

Trenutno poznamo tri vrste atomskih ur, ki delujejo po približno istem principu. Cezijeve ure, najbolj natančne, ločijo atom cezija z magnetnim poljem. Najpreprostejša atomska ura, rubidijeva ura, uporablja plin rubidij, zaprt v stekleni balonu. In končno, vodikova atomska ura vzame za referenčno točko atome vodika, zaprte v lupino iz posebnega materiala - ta preprečuje, da bi atomi hitro izgubljali energijo.

Koliko je ura

Leta 1999 je ameriški nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo (NIST) predlagal še naprednejšo različico atomske ure. Model NIST-F1 dopušča napako le ene sekunde vsakih dvajset milijonov let.

Najbolj natančen

Toda fiziki NIST se niso ustavili pri tem. Znanstveniki so se odločili razviti nov kronometer, tokrat na osnovi atomov stroncija. Nova ura deluje na 60 % prejšnjega modela, kar pomeni, da ne izgubi ene sekunde v dvajsetih milijonih let, temveč v kar petih milijardah.

Čas merjenja

Mednarodni sporazum je določil edino natančno frekvenco resonance cezijevega delca. To je 9.192.631.770 hercev - če izhodni signal delimo s tem številom, je enako natanko enemu ciklu na sekundo.

Prvič, človeštvo uporablja ure kot sredstvo za nadzor programskega časa.

Drugič, danes je merjenje časa najnatančnejša vrsta merjenja od vseh: natančnost merjenja časa je zdaj določena z neverjetno napako reda 1·10-11 % ali 1 s v 300 tisoč letih.

In sodobni ljudje so dosegli takšno natančnost, ko so začeli uporabljati atomi, ki so zaradi svojih nihanj regulator atomske ure. Atomi cezija so v dveh energijskih stanjih, ki jih potrebujemo (+) in (-). Elektromagnetno sevanje s frekvenco 9.192.631.770 hercev nastane, ko atomi preidejo iz stanja (+) v stanje (-), kar ustvari natančen, stalen periodični proces – regulator kode atomske ure.

Da bi atomske ure delovale natančno, je treba cezij izhlapeti v peči, pri čemer se sprostijo njegovi atomi. Za pečjo se nahaja sortirni magnet, ki ima kapaciteto atomov v (+) stanju, v njem pa zaradi obsevanja v mikrovalovnem polju prehajajo atomi v (-) stanje. Drugi magnet usmeri atome, ki so spremenili stanje (+) v (-), v sprejemno napravo. Številne atome, ki so spremenili svoje stanje, dobimo le, če frekvenca mikrovalovnega oddajnika natančno sovpada s frekvenco vibracij cezija 9.192.631.770 hercev. V nasprotnem primeru se število atomov (-) v sprejemni napravi zmanjša.

Naprave nenehno spremljajo in uravnavajo konstantno frekvenco 9.192.631.770 hercev. To pomeni, da so se uresničile sanje oblikovalcev ur, najden je bil popolnoma stalen periodični proces: frekvenca 9.192.631.770 hercev, ki uravnava potek atomskih ur.

Danes je kot rezultat mednarodnega dogovora sekunda opredeljena kot obdobje sevanja, pomnoženo z 9.192.631.770, kar ustreza prehodu med dvema hiperfinima strukturnima nivojema osnovnega stanja atoma cezija (izotop cezija-133).

Za merjenje natančnega časa lahko uporabite tudi nihanje drugih atomov in molekul, kot so atomi kalcija, rubidija, cezija, stroncija, molekule vodika, joda, metana itd. Vendar pa je sevanje cezijevega atoma prepoznano kot frekvenca standard. Za primerjavo vibracij različnih atomov s standardom (cezijem) je bil ustvarjen titan-safirni laser, ki generira širok razpon frekvenc v območju od 400 do 1000 nm.

Prvi ustvarjalec kvarčnih in atomskih ur je bil angleški eksperimentalni fizik Essen Lewis (1908-1997). Leta 1955 je ustvaril prvi standard atomske frekvence (časa) z uporabo žarka cezijevih atomov. Kot rezultat tega dela je 3 leta kasneje (1958) nastala časovna storitev, ki temelji na standardu atomske frekvence.

V ZSSR je akademik Nikolaj Genadijevič Basov predstavil svoje ideje za ustvarjanje atomske ure.

Torej, atomska ura, Ena od natančnih vrst ur je naprava za merjenje časa, kjer se kot nihalo uporabljajo naravne vibracije atomov ali molekul. Stabilnost atomskih ur je najboljša med vsemi obstoječimi vrstami ur, kar je ključ do najvišje natančnosti. Generator atomske ure proizvede več kot 32.768 impulzov na sekundo, za razliko od običajnih ur. Atomske vibracije niso odvisne od temperature zraka, vibracij, vlažnosti in številnih drugih zunanjih dejavnikov.

V sodobnem svetu, ko preprosto ne morete brez navigacije, so atomske ure postale nepogrešljivi pomočniki. Sposobni so samodejno preko satelitskih komunikacij določiti lokacijo vesoljske ladje, satelita, balistične rakete, letala, podmornice, avtomobila.

Tako zadnjih 50 let za najbolj natančne veljajo atomske ure, bolje rečeno cezijeve. Že dolgo jih uporabljajo časovne službe, časovne signale pa oddajajo tudi nekatere radijske postaje.

Atomska ura je sestavljena iz treh delov:

kvantni diskriminator,

kvarčni oscilator,

kompleks elektronike.

Kvarčni oscilator generira frekvenco (5 ali 10 MHz). Oscilator je RC radijski generator, ki kot resonančni element uporablja piezoelektrične moduse kremenčevega kristala, kjer se primerjajo atomi, ki so spremenili stanje (+) v (-).Za večjo stabilnost se njegova frekvenca stalno primerja z nihanji kvantni diskriminator (atomi ali molekule) . Ko pride do razlike v nihanju, elektronika nastavi frekvenco kvarčnega oscilatorja na nič, s čimer poveča stabilnost in natančnost ure na želeno raven.

V sodobnem svetu lahko atomske ure proizvajajo v kateri koli državi na svetu za uporabo v vsakdanjem življenju. So zelo majhne velikosti in lepe. Najnovejša atomska ura ni večja od škatlice vžigalic in ima nizko porabo energije, manj kot 1 vat. In to ni meja, morda bo v prihodnosti tehnični napredek dosegel mobilne telefone. Medtem so kompaktne atomske ure nameščene samo na strateških raketah, da večkrat povečajo natančnost navigacije.

Danes lahko v spletnih trgovinah kupite moške in ženske atomske ure za vsak okus in proračun.

Leta 2011 so strokovnjaki Symmetricom in Sandia National Laboratories ustvarili najmanjšo atomsko uro na svetu. Ta ura je 100-krat bolj kompaktna od prejšnjih komercialno dostopnih različic. Velikost atomskega kronometra ni večja od škatlice vžigalic. Za delovanje potrebuje le 100 mW moči – to je 100-krat manj v primerjavi s predhodniki.

Velikost ure je bilo mogoče zmanjšati tako, da so namesto vzmeti in zobnikov vgradili mehanizem, ki deluje na principu določanja frekvence elektromagnetnega valovanja, ki ga oddajajo atomi cezija pod vplivom laserskega žarka zanemarljive moči.

Takšne ure se uporabljajo v navigaciji, pa tudi pri delu rudarjev, potapljačev, kjer je potrebno natančno sinhronizirati čas s kolegi na površju, pa tudi natančnih časovnih servisih, saj je napaka atomskih ur manjša od 0,000001 frakcije. sekunde na dan. Cena rekordno majhne atomske ure Symmetricom je bila okoli 1500 dolarjev.