Прошло больше 70 лет с момента изобретения самых точных часов в мире.
На самом деле атомные часы не похожи на привычные нам в жизни: кварцевые, механические, электронные.
В электронных и кварцевых часах работа происходит в кристалле кварца под воздействием электрического тока, сжимая и разжимая его с частой 32768 Гц. Как только Кварц совершает это количество колебаний, часовой механизм получает сигнал и поворачивает стрелку.
Механические часы работают за счет пружины определенной упругости, а пружина уже передает крутящий момент остальным механизмам часов.
Начнем с того, что же такое атомные часы и почему они настолько точные?
Когда мы слышим что-то связанное с атомами, возникает вопрос: «не радиоактивно ли это?» Нет, атомные часы не радиоактивны. В них не происходит атомный распад. Самое главное отличие от привычных нам часов в том, что колебания в атомных часах происходят между окружающими атом электронами.
Атомные часы - это прибор для измерения времени в котором в качестве периодического процесса используется собственные колебания атомов.
Существуют водородные, рубидиевые, цезиевые. Наиболее распространённые цезиевые атомные часы. Точность атомных часов заключается в том, что переход электронов с одного энергетического уровня на другой, при их возбуждении, происходит с постоянной и не меняющейся частотой. Для атома цезия частота колебаний равна 9192631770 Герц.
Как же они устроены?
Самые простые атомные часы состоят из: Кварцевый генератор (осциллятора), магниты, детектор, устройство обратной связи, частотный делитель, устройство считывания времени.
Кварцевый генератор (осциллятора) предназначен для получения колебаний постоянной частоты, с высокой временной устойчивостью и низким уровнем фазовых шумов. Принцип работы кварцевого генератора основан на пьезоэлектрических свойствах кварца. Под действием электрического поля происходит деформация кварцевой пластинки. За счет того, что пластинка деформировалась на поверхности кварца появляется заряд и в результате этого колебания заряда на поверхности пластинки и её собственные синхронны.
Принцип работы часов основан на сравнении в компенсаторе частоты колебаний кварцевого генератора с колебаниями, которые зафиксировал детектор. Так же по каналу обратной связи, производится корректировка кварцевого генератора.
Сначала цезий нагревают так, что атомы выпариваются, и проходят через вакуумную трубу. Затем проходят через магнитное поле, где выбираются атомы с нужным энергетическим состоянием. Следующем этапом атомы прогоняются через микроволновое поле. Частота микроволновой энергии находится в узком диапазоне, пока не достигнет 9192631770 Герц. Когда атом цезия получает энергию нужной частоты он меняет свое энергетическое состояние. Далее магнитное поле отделяет атомы, которые изменили своё энергетическое состояние. В конце трубки детектор дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает верхнего предела. Этот сигнал предназначен для корректировки кварцевого генератора к нужной частоте. Затем эта частота делится на 9192631770, для того что бы получить импульс длительностью 1 сек.
Международная система единиц (СИ) определяет 1 секунду как определенное количество периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезий-133. Отклонение в 1 секунду цезиевым атомным часам грозит не ранее чем через 138 миллионов лет. От сюда следует, что атом цезия-133 является эталоном для измерения времени и частоты.
Наиболее важное значение атомные часы имеют в навигации спутников, самолетов, ракет, расчет положения звезд, планет и далеких космических объектов.
