• Nie Znaleziono Wyników

ZEGARY ATOMOWE I CZĄSTECZKOWE

W dokumencie Postępy Astronomii nr 4/1960 (Stron 73-77)

U. DUKWICZ

Jeszcze do niedawna do regulowania ruchu zegarów nieodzowne było opieranie się na obserwacjach okresowych zjawisk astronomicznych uznanych za najbardziej stabilne. Sytuacja uległa radykalnej zmianie dzięki osiągnięciom fizyki współ­ czesnej, a szczególnie spektroskopii mikrofalowej w zakresie długości fal rzę­ du cm. Okazuje się, że atomy i cząstki mogą emltowaó lub absorbowaó fale o ta­ kich długościach, przy czym Jeżeli materia poddana analizie spektralnej Jest bardzo czysta (określony izotop) i znajduje się w sprzyjających warunkach, otrzymuje się falę prawie doskonale monochromatyczną.

Budowie 1 działaniu zegarów atomowych opartych na tych własnościach materii poświęcony Jest artykuł J. V e r b a a n d e r t a [i].

Pierwszy zegar tego typu zbudowany został w 1949 roku przez L y o n s ’ a. Był on sterowany przez pasmo absorpcyjne HH3 odpowiadające częstości v “ = 23870130970 c/s. Pasmo to odpowiada przejściu lnwersyjnemu cząstki amoniaku. Rysunek 1 przedstawia schemat działania zegara tego typu.Częstośó 100 kc/s drgań kryształu kwarcu Jest tak zwiększana w multlplikatorze, że na wyjściu otrzymuje się drgania o częstości równej częstości rezonansowej amoniaku (Jeże­ li częstośó pierwotna drgań kwarcu równa się dokładnie 100 kc/s). Drgania te wprowadzane są do falowodu o długości a 7 m zawierającego pary amonlakupod ci­ śnieniem ułamków mm Hg. Ze względu na absorpcję przez cząstki amoniaku amplitu­ da drgań na wyjściu falowodu Jest mniejsza niż na wejściu. Maksimum absorpcji, a więc najmniejszą amplitudę otrzymujemy dla częstości równej dokładnie 23870130970 c/s, co odpowiada częstości 100 kc/s drgań kwarcu. Urządzenie to sterując srvo-motorem sprowadza stale drgania pierwotne na maksimum absorpcji, regulując w ten sposób zegar kwarcowy.

Opisany zegar nie dał spodziewanej dokładności. Powodem tego było poszerze­ nie linii absorpcyjnej, będące wynikiem efektu Dopiera, zderzeń mlędzycząstecz- kowych 1 efektu nasycenia. Szerokośó połówkowa tej linii wynosi około 30000 o/a. Trudności te omija zegar atomowy opisany poniżej. W zegarze tym wzorcem czę- stośol są atomy cesium. W naczyniu próżniowym (rys. 2) znajduje się piecyk elek­ tryczny/', zawierający kapsułkę z około 0,1 g cesium 133,podgrzanego do 100° C. Wskutek parowania ozęśó atomów wydostaje się przez otwór w piecyku 1 rozchodzi się w ampułce próżniowej z prędkością bliską prędkości głosu.Kależy zauważyć,że wskutek promieniowania termicznego w piecyku,w atomach oezu następują jrzejśola Indukowane tak, że wiązka składa się z dwu grup atomów o różnych momentach ma­ gnetycznych. Wiązka ta dostaje się w niejednorodne pole magnetyczne NS, gdzie zostaje rozszczepiona. Częśó atomów wiązki trafia następnie na dlafragmę D 1 po

252 Z literatury naukowej

Rys. 1

falow ód

Rys. 2

przejściu Jej na pole magnetyczne s'S' o tym samym kierunku, lecz przeoiwnym w stosunku do SS gradiencie. Wiązka ta ogniskowana Jest na szczelinie O", za którą znajduje się licznik atomów. Ha drodze wiązki, między polem NS i N'S ’ znaj­ dują się dwie wnęki rezonansowe f i do których przy pomocy falowodu wprowa­ dzone są drgania elektromagnetyczne o częstości a częstości rezonansowej cezu (v, « 9192631840 c/s). Drgania te wywołują przejścia Indukowane w atomach cezu, naruszając ogniskowanie na szczelinie 0". Najwięcej przejść, a więc największe

Z literatury naukowej 253

naruszenie ogniskowania, będzie miało miejsce dla częstości v » v, .Dla tej czę­ stości licznik za szczeliną o" zanotuje najmniejszą ilośó przychodzących ato­ mów. Dalej możliwe Jest tak, Jak w zegarze L y o n s ' a, synchronizowanie sta­ łe częstości drgań kwarcu i cezu. Ma razie Jednak porównuje się tylko co Jakiś czas (np. raz na tydzień) częstośó drgań kwarcu ze wzorcem atomowym, a to ze względu na dostateczną stałośó ruchu zegara kwarcowego oraz na trudności zwią­ zane z utrzymywaniem bez przerwy funkcjonowania wzorca atomowego.

T o w n e s z Uniwersytetu w Kolumbii zbudował w 1955 r. oscylator stero­ wany przez NH3 lecz działający na innych zasadach niż zegar L y o n s a.Oscy­ lator został nazwany maserem (skrót od "Microwave Amplification by Stimulated Bmlssion of Radiation). Rysunek 3 przedstawia schematycznie działanie masera. Wiązka cząstek amoniaku dyfunduje ze zbiornika

Bt

przechodząc następnie wzdłuż osi fokallzatora składającego się z parzystej liczby elektrod umieszczonych tak, że tworzą one powierzchnię walcową. Niejednorodne pole elektryczne wewnątrz wal­ ca umożliwia dzięki kwantowemu efektowi Starka rozdzielenie cząstek amoniaku znajdujących się w dwu różnych stanach energetycznych. Cząstki w wyższym sta­ nie ogniskowane są na osi fokallzatora, w niższym - rozproszone i wyprowadzone na zewnątrz fokallzatora. Ogniskowane cząstki wchodzą przez otwór do wnęki re­ zonansowej, dostrojonej do częstości rezonansowej amoniaku. Do wnęki tej wpro­ wadzana Jest falowodem fala elektromagnetyczna o częstości bliskiej częstości rezonansowej NH3. We wnęce cząstki amoniaku oddają swoją energię do pola elek­ tromagnetycznego wzmacniając Je (przy czym następuje przeskok na niższy poziom energetyczny). Wzmocnione promieniowanie zostaje odprowadzone przez prowadnicę wyjściową do układu odbiorczego. Najsilniejsze wzmocnienie nastąpi dla często­ ści -równej dokładnie częstości rezonansowej amoniaku. Wzorzec ten można następ­ nie porównywać z zegarem kwarcowym.

prow adnico prowadnica w yjłciowa wejściowa

Rys. 3

Zegary atomowe i cząsteczkowe zostały wprowadzone do służby czasu stosunko­ wo niedawno, ale otrzymane do tej pory rezultaty pozwalają przypuszozaó, że do­ kładność ich Jest dziesięciokrotnie wyższa niż dokładnośó najlepszych zegarów kwarcowych. Prace M.N. S t o y k o [

2

], dotyczące okresowych zmian prędkości rotacji Ziemi potwierdzają tę dokładnośó.

Od chwili uruchomienia zegarów atomowych istnieją dwa rodzaje zjawisk na- turalnyoh, mogące odgrywaó rolę wzorców czasu:

254 Z literatury naukowej

1 ) obroty 1 ruch ciał niebieskich

2 ) zjawiska okresowe w atomach 1 cząstkach.

Przez okres najbliższych k ilkudziesięciu lat bardzo ważnym zadaniem dla f i ­ zyków 1 astronomów będzie porównywanie czasu atomowego z czasem astronomicznym. Każda zauważona w przyszłości różnica między nimi będzie musiała byó interpre­ towana bądź przez odkryoie Jakiś nowych specjalnych efektów mechaniki nieba, bądź nową teorią kosmogonlczną, np. zmiennością stałej Plancka h .O możliwości zmian stałych fizycznych z prędkością y na rok, gdzie T - wiek wszechświata wia­ tach, wspomina szereg fizyków teoretyków Jak D i r a c , M l l n e ,J o r d a n.

LITERATURA

[ 1 ] j . V e r b a a n d e r t , 1958, Ciel et Terre, vol. LXXIV, 3-4 s. 153,5-6 s . 273

[2] M.N. S t o y k o, 1956, B .H . nr 10 seria 4 .

[3] B. D e c a u x , 1957, Annales Francaises de Chronometrie, 4“ Trim. s .1 . [4] 11. C h m i e l e w s k i , 1958, P .A .N . Komitet Łączności, I-sza Krajowa Hsr

W dokumencie Postępy Astronomii nr 4/1960 (Stron 73-77)

Powiązane dokumenty