стандарт цезия

Стандарт цезия — это первичный стандарт частоты , в котором поглощение фотонов переходами между двумя сверхтонкими основными состояниями атомов цезия -133 используется для управления выходной частотой. Первые цезиевые часы были построены Луисом Эссеном в 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании ^[1] и были популяризированы во всем мире Гернотом М. Р. Винклером из Военно-морской обсерватории США .

Атомные часы на основе цезия являются одними из самых точных стандартов времени и частоты и служат основным стандартом для определения секунды в Международной системе единиц (СИ), современной метрической системе . По определению, излучение, возникающее при переходе между двумя сверхтонкими основными состояниями цезия-133 (при отсутствии внешних воздействий, таких как магнитное поле Земли ), имеет частоту Δ ν _Cs , равную точно9 192 631 770  Гц . Это значение было выбрано таким образом, чтобы цезиевая секунда равнялась, в пределах измерительных возможностей в 1960 году, когда она была принята, существующей стандартной эфемеридной секунде, основанной на орбите Земли вокруг Солнца . ^[2] Поскольку ни одно другое измерение, включающее время, не было столь точным, эффект изменения был меньше экспериментальной погрешности всех существующих измерений.

В то время как секунда является единственной базовой единицей , явно определенной в терминах цезиевого стандарта, большинство единиц СИ имеют определения, в которых упоминается либо секунда, либо другие единицы, определенные с использованием секунды. Следовательно, каждая базовая единица, кроме моля, и каждая названная производная единица , кроме кулона , ома , сименса , грея , зиверта , радиана и стерадиана, имеют значения, которые неявно определяются свойствами сверхтонкого переходного излучения цезия-133. И из них все, кроме моля, кулона и безразмерных радиана и стерадиана, неявно определяются общими свойствами электромагнитного излучения .

Официальное определение секунды было впервые дано МБМВ на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году: « Секунда — это продолжительность9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. " На своем заседании 1997 года BIPM добавило к предыдущему определению следующее уточнение: " Это определение относится к атому цезия, находящемуся в состоянии покоя при температуре 0 К. " ^[3]

BIPM переформулировало это определение на своей 26-й конференции (2018 г.): « Секунда определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты цезия ∆Cs, невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия-133, равной 9 192 631 770, выраженной в единицах Гц, что равно с ^–1 » . ^[4]

Смысл предыдущего определения следующий. Атом цезия имеет основное состояние электрона с конфигурацией [Xe] 6s ¹ и, следовательно, символ атомного терма ² S _1/2 . Это означает, что имеется один неспаренный электрон, а полный электронный спин атома равен 1/2. Более того, ядро ​​цезия-133 имеет ядерный спин, равный 7/2. Одновременное наличие электронного спина и ядерного спина приводит, посредством механизма, называемого сверхтонким взаимодействием , к (небольшому) расщеплению всех энергетических уровней на два подуровня. Один из подуровней соответствует тому, что электронный и ядерный спины параллельны (т. е. направлены в одном направлении), что приводит к общему спину F, равному F = 7/2 + 1/2 = 4 ; другой подуровень соответствует антипараллельному электронному и ядерному спину (т. е. направлены в противоположные стороны), что приводит к общему спину F = 7/2 − 1/2 = 3 . В атоме цезия так получается, что подуровень с самой низкой энергией — это подуровень с F = 3 , тогда как подуровень с F = 4 энергетически лежит немного выше. Когда атом облучается электромагнитным излучением с энергией, соответствующей энергетической разнице между двумя подуровнями, излучение поглощается, и атом возбуждается, переходя с подуровня с F = 3 на подуровень с F = 4. Через малую долю секунды атом снова испустит излучение и вернется в свое основное состояние с F = 3. Из определения второго следует, что рассматриваемое излучение имеет частоту ровно9,192 631 77  ГГц , что соответствует длине волны около 3,26 см и, следовательно, относится к микроволновому диапазону.

Обратите внимание, что распространенная путаница связана с преобразованием угловой частоты ( ) в частоту ( ) или наоборот. Угловые частоты традиционно указываются в научной литературе как с ^–1 , но здесь единицы неявно означают радианы в секунду. Напротив, единицу Гц следует интерпретировать как циклы в секунду. Формула преобразования имеет вид , что подразумевает, что 1 Гц соответствует угловой частоте приблизительно 6,28 радиан в секунду (или 6,28 с ^–1 , где радианы опущены для краткости по соглашению).${\displaystyle \омега}$${\displaystyle f}$${\displaystyle \omega =2\pi f}$

Предположим, что стандарт цезия имеет следующие параметры:

• Скорость : с
• Энергия/частота : ч
• Период времени: Δ t _Cs
• Частота: Δ ν _Cs
• Длина волны: Δ λ _Cs
• Энергия фотона: Δ E _Cs
• Эквивалент массы фотона : Δ M _Cs

Первый набор единиц, определенный с использованием цезиевого стандарта, относился ко времени, а второй был определен в 1967 году как «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133», что означает:

• 1 секунда , с, = 9 192 631 770 Δ t _Cs
• 1 герц , Гц, = 1/с = ⁠ΔνCs​_​/9,192,631,770⁠
• 1 беккерель , Бк, = 1 ядерный распад/с = ⁠1/9,192,631,770⁠ ядерные распады/ Δ t _Cs

Это также связало определения производных единиц, относящихся к силе и энергии (см. ниже) и ампера, определение которого в то время ссылалось на ньютон, с цезиевым стандартом. До 1967 года единицы СИ времени и частоты определялись с использованием тропического года , а до 1960 года — с использованием продолжительности средних солнечных суток ^[5]

В 1983 году метр был косвенно определен в терминах цезиевого эталона с формальным определением «Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени, равный 1/299 792 458 секунды». Это означало:

• 1 метр , м, = ⁠cs/299,792,458⁠ = ⁠9,192,631,770/299,792,458⁠ c Δ t _Cs = ⁠9,192,631,770/299,792,458⁠ Δ λ _Cs
• 1 радиан , рад = 1 м/м = Δ λ _Cs / Δ λ _Cs = 1 (безразмерная единица измерения угла)
• 1 стерадиан , ср, = 1 м ² /м ² = Δ λ _Cs ² / Δ λ _Cs ² = 1 (безразмерная единица телесного угла )

Между 1960 и 1983 годами метр определялся длиной волны другой частоты перехода, связанной с атомом криптона-86 . Он имел гораздо более высокую частоту и более короткую длину волны, чем стандарт цезия, попадая в видимый спектр . Первое определение, использовавшееся между 1889 и 1960 годами, было дано международным прототипом метра . ^[6]

После пересмотра СИ в 2019 году электромагнитное излучение в целом было четко определено как имеющее точные параметры:

• с = 299 792 458 м/с
• ч =6,626 070 15 × 10−34 ^Дж с

Было четко определено, что сверхтонкое переходное излучение цезия-133 имеет частоту:

• Δ ν _Cs = 9 192 631 770 Гц ^[7]

Хотя приведенные выше значения для c и Δ ν _Cs уже явно подразумевались в определениях метра и секунды. Вместе они подразумевают:

• ΔtCs = ⁠​_​1/ΔνCs​_​⁠ = ⁠с/9,192,631,770⁠
• Δ λ _Cs = c Δ t _Cs = ⁠299,792,458/9,192,631,770⁠ м
• Δ E _Cs = h Δ ν _Cs = 9 192 631 770 Гц ×6,626 070 15 × 10−34 Дж с ⁼6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻²⁴ Дж
• Δ M _Cs = ⁠Δ E _Cs/с ²⁠ = ⁠6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻²⁴ Дж/89,875,517,873,681,764 м ² /с ²⁠ = ⁠6.091 102 297 113 866 55/8,987 551 787 368 1764 × 10 ⁴⁰⁠ кг

Примечательно, что длина волны имеет вполне человеческое значение около 3,26 сантиметров, а энергия фотона удивительно близка к средней молекулярной кинетической энергии на степень свободы на кельвин . Из этого следует, что:

• 1 килограмм , кг, = ⁠8,987 551 787 368 1764 × 10 ⁴⁰/6.091 102 297 113 866 55⁠ Δ М _Cs
• 1 джоуль , Дж, = ⁠10 ²⁴/6.091 102 297 113 866 55⁠ Δ E _Cs
• 1 ватт , Вт, = 1 Дж/с = ⁠10 ¹⁴/5.599 326 049 076 890 895 507 029 35⁠ Δ E _Cs Δ ν _Cs
• 1 ньютон , Н, = 1 Дж/м = ⁠2,997 924 58 × 10 ²²/5.599 326 049 076 890 895 507 029 35⁠ Δ E _Cs / Δ λ _Cs
• 1 паскаль , Па, = 1 Н/м ² = ⁠2,694 400 241 737 398 953 933 5912 × 10 ¹⁹/4,731 681 297 378 209 131 892 876 988 924 868 114 516 206 15⁠ Δ E _Cs / Δ λ _Cs ³
• 1 грей , Гр, = 1 Дж/кг = ⁠1/89,875,517,873,681,764⁠ Δ E _Cs / Δ M _Cs = ⁠с ²/89,875,517,873,681,764⁠
• 1 зиверт , Зв, = доза ионизирующего излучения , эквивалентная 1 грею гамма-лучей

До пересмотра, между 1889 и 2019 годами, семейство метрических (а позднее и СИ) единиц, относящихся к массе, силе и энергии, как известно, определялось массой Международного прототипа килограмма (МПК), особого объекта, хранящегося в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в Париже , что означало, что любое изменение массы этого объекта привело бы к изменению размера килограмма и многих других единиц, значение которых в то время зависело от значения килограмма. ^[8]

С 1954 по 2019 год температурные шкалы СИ определялись с использованием тройной точки воды и абсолютного нуля . ^[9] В редакции 2019 года они были заменены назначенным значением для постоянной Больцмана , k ,1,380 649 × 10 ⁻²³ Дж/К, что означает:

• 1 кельвин , К, =1,380 649 × 10−23 Дж ^/ 2 на степень свободы = ⁠1,380 649 × 10 ⁻²³ ×10 ²⁴ /2/6.091 102 297 113 866 55⁠ Δ E _Cs на степень свободы = ⁠1.380 649/1.218 220 459 422 773 31⁠ Δ E _Cs на степень свободы
• Температура в градусах Цельсия , °C, = температура в кельвинах - 273,15 = ⁠1,218 220 459 422 773 31 × кинетическая энергия на степень свободы -377,124 274 35 Δ E _Cs/1,380 649 Δ E _Cs⁠

Моль — это чрезвычайно большое число «элементарных сущностей» (т. е. атомов , молекул , ионов и т. д.). С 1969 по 2019 год это число составляло 0,012 × отношение масс между IPK и атомом углерода 12. ^[10] Пересмотр 2019 года упростил это , присвоив постоянной Авогадро точное значение6,022 140 76 × 10 ²³ элементарных единиц на моль, таким образом, в отличие от других базовых единиц, моль сохранил свою независимость от стандарта цезия:

• 1 моль , моль, =6,022 140 76 × 10 ²³ элементарных сущностей
• 1 катал , кат, = 1 моль/с = ⁠6,022 140 76 × 10 ¹⁴/9.192 631 77⁠ элементарные сущности/ Δ t _Cs

До пересмотра ампер определялся как ток, необходимый для создания силы между двумя параллельными проводами на расстоянии 1 м друг от друга в 0,2 мкН на метр. Пересмотр 2019 года заменил это определение, дав заряду электрона , e , точное значение1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ кулонов. Несколько нелепо, что кулон все еще считается производной единицей, а ампер — базовой, а не наоборот. ^[11] В любом случае, эта конвенция влекла за собой следующие точные соотношения между электромагнитными единицами СИ, элементарным зарядом и сверхтонким переходным излучением цезия-133:

• 1 кулон , Кл, = ⁠10 ¹⁹/1.602 176 634⁠ е
• 1 ампер , или А, = 1 Кл/с = ⁠10 ⁹/1.472 821 982 686 006 218⁠ е Δ ν _Cs
• 1 вольт , В, = 1 Дж/Кл = ⁠1,602 176 634 × 10 ⁵/6.091 102 297 113 866 55⁠ Δ E _Cs / е
• 1 фарад , Ф, = 1 Кл/В = ⁠6,091 102 297 113 866 55 × 10 ¹⁴/2.566 969 966 535 569 956⁠ е ² / Δ E _Cs
• 1 Ом , Ω, = 1 В/А = ⁠2,359 720 966 701 071 721 258 310 212 × 10 ⁻⁴/6.091 102 297 113 866 55⁠ Δ E _Cs / Δ ν _Cs e ² = ⁠2,359 720 966 701 071 721 258 310 212 × 10 ⁻⁴/6.091 102 297 113 866 55⁠ ч / е ²
• 1 сименс , S, = 1/Ом = ⁠6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁴/2.359 720 966 701 071 721 258 310 212⁠ е ² / ч
• 1 вебер , Вб, = 1 В с = ⁠1,602 176 634 × 10 ¹⁵/6.626 070 15⁠ Δ E _Cs Δ t _Cs / e = ⁠1,602 176 634 × 10 ¹⁵/6.626 070 15⁠ ч / е
• 1 тесла , Тл, = 1 Вб/м ² = ⁠1,439 964 547 058 622 858 327 023 76 × 10 ¹²/5.599 326 049 076 890 895 507 029 35⁠ Δ E _Cs Δ t _Cs / e Δ λ _Cs ² = ⁠1,439 964 547 058 622 858 327 023 76 × 10 ¹²/5.599 326 049 076 890 895 507 029 35⁠ E / ec Δ λ _Cs
• 1 генри , H, = Ω s = ⁠2,359 720 966 701 071 721 258 310 212 × 10 ⁶/6.626 070 15⁠ ч Δ t _Cs / е ²

С 1967 по 1979 год оптические единицы СИ, люмен, люкс и кандела, определялись с использованием свечения платины при ее температуре плавления. После 1979 года кандела определялась как сила света монохроматического видимого источника света с частотой 540 ТГц (т.е. ⁠ 6000/1.02140353⁠ цезиевого стандарта) и интенсивность излучения ⁠1/683ватт на стерадиан. Это связывало определение канделы со стандартом цезия и, до 2019 года, с IPK. В отличие от единиц, относящихся к массе , энергии , температуре , количеству вещества и электромагнетизму , оптические единицы не были массово переопределены в 2019 году, хотя они были косвенно затронуты, поскольку их значения зависят от ватта и, следовательно, килограмма. ^[12] Частота, используемая для определения оптических единиц, имеет параметры:

• Частота: 540 ТГц
• Период времени: ⁠50/27⁠ фс
• Длина волны: ⁠14.9896229/27⁠ мкм
• Энергия фотона:5,4 × 10 ¹⁴ Гц ×6,626 070 15 × 10−34 Дж с ⁼3,578 077 881 × 10 ⁻¹⁹ Дж
• Световая отдача , К _КД , = 683 лм/Вт
• Световая энергия на фотон, , =${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$3,578 077 881 × 10 ⁻¹⁹ Дж × 683 лм/Вт =2,443 827 192 723 × 10 ⁻¹⁶ лм с

Это подразумевает:

• 1 люмен , лм, = ⁠10 ⁶/2.246 520 349 221 536 260 971⁠ Δ ν _Cs${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$
• 1 кандела , кд, = 1 лм/ср = ⁠10 ⁶/2.246 520 349 221 536 260 971⁠ Δ ν _Cs / ср${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$
• 1 Люкс , лк, = 1 лм/м ² = ⁠8,987 551 787 368 1764 × 10 ²/1.898 410 313 566 852 566 340 456 048 807 087 002 459⁠ Δ ν _Cs / Δ λ _Cs ²${\displaystyle Q_{\mathrm {v} }}$

Параметры сверхтонкого переходного излучения цезия-133, выраженные точно в единицах СИ, следующие:

• Частота = 9 192 631 770 Гц
• Период времени = ⁠1/9,192,631,770⁠ с
• Длина волны = ⁠299,792,458/9,192,631,770⁠ м
• Энергия фотона =6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻²⁴ Дж
• Эквивалент массы фотона = ⁠6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻⁴⁰/8.987 551 787 368 1764⁠ кг

Если семь основных единиц СИ явно выразить через определяющие константы СИ, то они будут иметь вид:

• 1 секунда = ⁠9,192,631,770/ΔνCs​_​⁠
• 1 метр = ⁠9,192,631,770/299,792,458⁠ c / Δ ν _Cs
• 1 килограмм = ⁠8,987 551 787 368 1764 × 10 ⁴⁰/6.091 102 297 113 866 55⁠ h Δ ν _Cs / c ²
• 1 ампер = ⁠10 ⁹/1.472 821 982 686 006 218⁠ е Δ ν _Cs
• 1 кельвин = ⁠13.806 49/6.091 102 297 113 866 55⁠ h Δ ν _Cs / k
• 1 моль =6,022 140 76 × 10 ²³ элементарных сущностей
• 1 кандела = ⁠10 ¹¹/3.824 339 691 519 516 481 631 301 046 05⁠ h Δ ν _Cs ² K _CD /ср

В конечном счете, 6 из 7 базовых единиц имеют значения, зависящие от Δ ν _Cs , которая встречается гораздо чаще, чем любая другая определяющая константа.

• стандарт рубидия
• Ядерные часы

•  В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Викискладе есть медиафайлы, связанные с цезиевыми часами .