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