ساعت اتمی

ساعت اتمی گونه‌ای از ساعت است که فرکانس تشدید استاندارد اتمی را به عنوان عنصر نگهداری زمان به کار می‌گیرد. این ساعت‌ها دقیق‌ترین ساعت و استاندارد فرکانسی بسامد شناخته شده‌اند و به عنوان استانداردهای اولیه برای سرویس جهانی پخش زمان، برای کنترل فرکانس پخش برنامه‌های تلویزیونی و سیستم‌های موقعیت موقعیت‌یاب جهانی همانند جی پی اس به کار می‌روند. ساعت‌های اتمی از پرتو افشانی هسته‌ای استفاده نمی‌کنند، بلکه از سیگنال‌های دقیق مایکروویو استفاده می‌کنند. سیگنال‌های مذکور هنگامی تولید می‌شوند که الکترون‌ها در اتم‌ها سطح انرژی خود را از سطحی به سطحی دیگر دگرگون می‌شود و در طی انتقال بین چنین حالت‌هایی آنها با فرکانس بسیار خاصی از تابش الکترومغناطیسی دارند. از این پدیده سیستم بین‌المللی یکاها (SI) به عنوان مبنایی برای تعریف از یک ثانیه استفاده می‌کند:

نیست-اف۲ امروزه دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان است که به ازای هر ۳۰۰ میلیون سال، تنها ۱ ثانیه خطا دارد.

 زمان بین‌المللی 

بندانگشتی|ساعت اتمی Chip-Scale رونمایی شده توسط NIST. عنوان اصلی: "بستهٔ ساعت اتمی Chip-Scale NIST از پایین شامل موارد ذیل است: یک لیزر، یک عدسی، یک تضعیف کننده نوری برای کاهش توان لیزر، یک صفحه موج که قطبش نور را تغییر می‌دهد، یک سلول حاوی یک بخار اتم‌های سزیم و در بالای آنها یک فتودیود برای تشخیص نور لیزری که از طریق سلول منتقل می‌شود.
آژانس‌های استاندارد ملی در بسیاری از کشورها شبکه‌ای از ساعت‌های اتمی را حفظ می‌کنند که با هم مقایسه شده و با دقت ۱۰–۹ ثانیه در روز (تقریباً ۱ قسمت در ۱۰۱۴) هماهنگ نگه داشته می‌شوند. این ساعت‌ها در مجموع مقیاس زمانی مداوم و پایدار، زمان اتمی بین‌المللی (TAI) را تعریف می‌کنند. برای زمان مدنی، مقیاس زمانی دیگری توزیع می‌شود، ساعت هماهنگ جهانی (UTC). این ساعت از زمان اتمی بین‌المللی مشتق شده است، اما چند ثانیه کبیسه به آن اضافه کرده است تا تغییرات چرخش زمین را با توجه به زمان خورشیدی در نظر بگیرد.

 تاریخچه 
ایده استفاده از انتقال اتمی برای اندازه‌گیری زمان توسط لرد کلوین در سال ۱۸۷۹ پیشنهاد شد. تشدید مغناطیسی، که در دهه ۱۹۳۰ توسط ایزیدور ایزاک رابی ایجاد شد، روش عملی برای انجام این کار شد. در سال ۱۹۴۵، ایزیدور ایزاک رابی برای اولین بار علناً پیشنهاد کرد که از رزونانس مغناطیسی هسته‌ای می‌تواند به عنوان پایه ساعت استفاده شود.See:
 Isidor I. Rabi, "Radiofrequency spectroscopy" (Richtmyer Memorial Lecture, delivered at Columbia University in New York, New York, on 20 January 1945).
 "Meeting at New York, January 19 and 20, 1945" Physical Review, vol. 67, pages 199-204 (1945).
  اولین ساعت اتمی دستگاه خط جذب آمونیاک در ۲۳۸۷۰٫۱ مگاهرتز بود که در سال ۱۹۴۹ در مؤسسه ملی فناوری و استانداردها ساخته شد (NBS، اکنون NIST). دقت آن نسبت به ساعت‌های کوارتز موجود کمتر بود، اما نشان دهنده مفهوم آن بود.اولین ساعت دقیق اتمی، یک استاندارد سزیم بر اساس انتقال مشخصی از اتم سزیم -۱۳۳، توسطلوئیس اِسان و جک پری در سال ۱۹۵۵ در آزمایشگاه ملی فیزیک انگلیس ساخته شد. کالیبراسیون ساعت اتمی استاندارد سزیم با استفاده از مقیاس زمانی نجومی زمان افقی (ET) انجام شد. در سال ۱۹۶۷، این امر باعث شد تا جامعه علمی تعریف ثانیه را از نظر فرکانس اتمی خاص تعریف کند. برابری ثانیه زمان نجومی با ساعت اتمی در سیستم SI تا ۱ قسمت در ۱۰۱۰ تأیید شده است.. Pages 413–414, gives the information that the SI second was made equal to the second of ephemeris time as determined from lunar observations, and was later verified in this relation, to 1 part in 1010.

از ابتدای توسعه در دهه ۱۹۵۰، ساعت‌های اتمی بر اساس انتقال بیش از حد ریز در هیدروژن -۱، سزیم -۱۳۳ و روبیدیوم-۸۷ ساخته شده‌اند. اولین ساعت اتمی تجاری Atomichron بود که توسط شرکت ملی تولید شده است. بیش از ۵۰ دستگاه بین سال‌های ۱۹۵۶ و ۱۹۶۰ فروخته شده است. متعاقباً این ابزار بزرگ و گران‌قیمت با دستگاه‌های قابل نصب روی رک، مانند استاندارد فرکانس سزیم مدل هیولت پاکارد ۵۰۶۰ که در سال ۱۹۶۴ منتشر شد، جایگزین شد.

 سازوکار 
از سال ۱۹۶۸، سیستم بین‌المللی واحدها (SI) ثانیه را به اندازه مدت زمان ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ چرخه تابش متناظر با انتقال بین دو سطح انرژی حالت پایه اتم سزیم -۱۳۳ تعریف کرده است. در سال ۱۹۹۷، کمیته بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری (CIPM) افزود که تعریف قبلی به اتم سزیم در حالت استراحت در دمای صفر مطلق اشاره دارد.

این تعریف، اسیلاتور سزیم را به عنوان استاندارد اصلی برای اندازه‌گیری زمان و فرکانس، به نام استاندارد سزیم، درمی‌آورد. تعاریف سایر واحدهای فیزیکی، مثلاً ولت و متر، به تعریف ثانیه متکی هستند.

 توان مصرفی 
مصرف برق ساعت‌های اتمی با اندازه آنها متفاوت است. ساعت‌های اتمی در مقیاس یک تراشه به کمتر از ۳۰ میلی وات نیاز دارند؛ فرکانس اولیه و استانداردهای زمانی مانند ساعت‌های اتمی Standard Time United States , NIST-F1 و NIST-F2، از توان بسیار بالاتری استفاده می‌کنند. Available on-line at:  NIST.gov

 دقت ارزیابی شده 
گزارش‌های صحت ارزیابی uB از استانداردهای مختلف فرکانس و زمان اولیه به صورت آنلاین توسط دفتر بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری (BIPM) منتشر می‌شود. چندین گروه استاندارد فرکانس و زمان از سال ۲۰۱۵ مقادیر uB را در محدوده  تا  گزارش کردند.BIPM Annual Report on Time Activities, Volume 10, 2015, , 

 تحقیقات 
بیشتر تحقیقات بر روی اهداف غالباً متضاد کوچک کردن، ارزان‌تر، قابل حمل تر بودن، صرفه جویی در مصرف انرژی، دقیق تر، پایدارتر و قابل اطمینان تر بودن ساعت متمرکز است. گروه ساعت اتمی در فضا نمونه ای از تحقیقات ساعت است.

 ساعت کوانتومی 

یک ساعت کوانتومی ساعتی است که یون‌های آلومینیوم و برلیوم را در سلول‌های الکترومغناطیسی به دام انداخته و سپس با استفاده از لیزر آن‌ها را تا دمای نزدیک صفر مطلق سرد می‌کند. این ساعت توسط فیزیکدانان مؤسسه ملی فناوری و استانداردها طراحی و توسعه یافته است. این ساعت ۳۷ بار دقیق تر از استانداردهای بین‌المللی موجود است.

 جستارهای وابسته 
 اختراع‌ها در ایالات متحده (۱۹۴۶–۱۹۹۱)

 منابع 


رده:تجهیزات آزمون‌های الکترونیکی
رده:دانش اندازه‌گیری
رده:ساعت
رده:ساعت‌سازی
رده:سامانه‌های اندازه‌گیری زمان
رده:فناوری هسته‌ای
رده:ویکی‌سازی رباتیک