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1、原子振蕩的原子鐘
到現(xiàn)在，我們的時鐘已經(jīng)從最早的靠天計時，轉(zhuǎn)變到了依靠人類自己制作的單擺、晶體振蕩器等具有周期現(xiàn)象的東西，但這些仍然不能滿足人們探索宇宙、追求極限的需求，怎么辦，人們想到了把原子躍遷頻率套在石英晶體振蕩器的頻率上的方法。
根據(jù)量子物理學(xué)的基本原理，原子由原子核和電子組成，電子繞原子核高速旋轉(zhuǎn)，電子有不同的旋轉(zhuǎn)軌道，電子在不同的旋轉(zhuǎn)軌道具有不同的能量，這些能量是不連續(xù)的，稱為能級。電子在不同的能級之間可以躍遷，當(dāng)電子從一個“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波的頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的同一種躍遷的共振頻率是一定的，例如
2、銫133的一個共振頻率為每秒9192631770赫茲。因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來保持高度精確的時間。
30年代，拉比和他的學(xué)生們在哥倫比亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里研究原子和原子核的基本特性。在其研究過程中，拉比發(fā)明了一種被稱為磁共振的技術(shù)。依靠這項(xiàng)技術(shù)，他便能夠測量出原子的振蕩頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎。同年，他提出用原子的振蕩頻率來制作高精度的時鐘。他還特別提出要利用所謂原子的“超精細(xì)躍遷”的頻率。這種超精細(xì)躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細(xì)微能量差別的狀態(tài)之間的躍遷。
實(shí)際上，原子鐘原理也是非常簡單的，就是先激發(fā)原子，使其處于高能級，然后等原子躍遷到低能級以后，自然會輻射一個光子，使用集成電路，把這光子的頻率，用鎖相環(huán)將晶體振蕩器的頻率鎖定到光子躍遷頻率上。因?yàn)檐S遷頻率很穩(wěn)定，晶體振蕩器的頻率也就非常穩(wěn)定。原子鐘的輸出實(shí)際上是晶振的輸出，只不過，這個晶振的頻率被原子躍遷頻率約束住了。
根據(jù)這個原理，人們研究出很多種原子鐘。被利用的化學(xué)元素有銣、銫、氫、鍶等，分別以這些元素的名字命名，如銫原子鐘等。對每一種元素，針對不同的用途開發(fā)出不同的原子鐘?，F(xiàn)在最小的原子鐘只有一粒大米一樣大小，最大的原子鐘長度超過5米，最便宜的原子鐘約1萬元人民幣，最貴的原子鐘價值超過百萬，這些原子鐘各有個的用途，在各行各業(yè)發(fā)揮著巨大的用途。
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