原子钟如何工作

原子钟比其他任何时钟都保持时间更好。他们甚至比地球的旋转和运动更好星星。没有原子钟，全球定位系统导航是不可能的互联网不会同步，并且不会以足够精确的方式知道行星的位置，以启动和监视空间探针和着陆器。

原子钟是不是放射性。他们不依赖原子衰减。相反，他们像普通时钟一样具有振荡的质量和弹簧。

房屋中的标准时钟和原子钟之间的最大差异是，原子钟中的振荡是在一个核之间原子和周围的电子。这种振荡并不完全与发条表的平衡轮和发胶相似，但事实是，两者都使用振荡来跟踪传递时间。这振荡频率原子内部由细胞核的质量以及核上正电荷与周围的电子云之间的重力和静电“弹簧”确定。

如今，尽管有不同类型的原子钟，但它们背后的原理仍然相同。主要差异与所使用的元素和检测能量水平变化时的手段有关。各种类型的原子时钟包括：

当今可用的最准确的原子钟使用剖腹原子以及正常的磁场和检测器。此外，剖腹原子被阻止来回拉动激光束，减少由于多普勒效应。

原子具有特征性的振荡频率。也许最熟悉的频率是将其撒在火焰上的橙子中的橙色发光。原子会有很多频率，有些在无线电波长，其中一些可见光谱，在两者之间。剖宫产133是原子钟最常见的元素。

转铯原子共振进入原子时钟，有必要准确测量其过渡频率之一。这通常是通过锁定的晶体振荡器到主要微波共振剖宫产。该信号在微波范围内无线电频谱，并且恰好与直接广播卫星信号的频率相同。工程师了解如何在频谱的这一区域中构建设备。

要创建一个时钟，剖宫产首先加热使原子沸腾，并通过保持高真空的管子传递。首先他们通过磁场选择正确的能量状态的原子；然后他们经过强烈的微波场。微波能量的频率在狭窄频率范围内向后扫荡9,192,631,770赫兹（Hz或每秒循环）。微波发电机的范围已经接近此精确频率，因为它来自精确晶体振荡器。当剖子原子以完全正确的频率接收微波能时，它会改变其能量状态。

在管的远端，另一个磁场分开如果微波场的正确频率完全正确，则改变了能量状态的原子。试管末端的检测器给出与触及其剖腹原子的数量成正比的输出，因此，当微波频率完全正确时，输出峰值达到峰值。这个顶峰然后将其用于对晶体振荡器进行稍作校正，从而精确地将微波场带到频率上。然后将此锁定频率除以9,192,631,770，以提供熟悉的每秒一个脉冲现实世界需要。

1945年，哥伦比亚大学物理学教授Isidor Rabi建议可以通过他在1930年代开发的一种技术来制作时钟原子束磁共振。到1949年，国家标准局（NBS，现在国家标准研究所，NIST）宣布了世界上第一个使用氨分子作为振动来源的世界原子时钟，到1952年，它宣布了第一个使用剖腹原子作为振动来源的原子时钟，NBS-1。

1955年，英格兰国家的国家物理实验室建造了第一个用作校准来源的剖腹时钟。在接下来的十年中，创建了更高级的时钟形式。1967年，第13届权重和措施大会根据剖腹原子的振动定义了SI第二。当时，世界的时间保持系统不再具有天文学基础！NBS-4，世界上最稳定的剖腹钟于1968年完成，并在1990年代被用作NIST时间系统的一部分。

在1999年，NIST-F1开始运行，不确定性为1.7零件，即第15次功率，或在2000万年内的准确性约为一秒钟，使其成为有史以来最准确的时钟（与巴黎相似的标准共享的区别）。

现在，国际协议将特定剖宫大共振的正确频率定义为9,192,631,770 Hz因此，当除以此数字时，输出完全是1 Hz，或每秒1个周期。

长期准确性现代剖宫产钟（最常见的类型）可实现的比每百万年一秒钟要好。氢原子钟显示出更好的短期（一周）准确性，约为原子钟的准确性10倍。因此，与通过天文学技术进行的测量相比，原子钟已提高了时间测量的准确性约100万次。

马萨诸塞州的国家公司使用剖腹产制作了第一个商业原子钟。如今，它们由各种制造商生产，包括惠普（Hewlett Packard），频率电子产品和FTS。新技术继续提高性能。最准确的实验室原子钟比商业生产的单元好几千倍。

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