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銫原子鐘

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中文名： 銫原子鐘 特點： 高精度 別稱： 銫鐘

銫原子鐘，一種精密的計時器具。日常生活中使用的時間准到1分鐘也就夠了。但在近代的社會生產、科學研究和國防建設等部門，對時間的要求就高得多。它們要求時間要准到千分之一秒，甚至百萬分之一秒。為了適應這些高精度的要求，人們製造出了一系列精密的計時器具，銫鐘就是其中的一種。銫鐘又叫"銫原子鐘"。

應用領域

它利用銫原子內部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振盪器，進而控制鐘的走動。這種鐘的穩定程度很高，最好的銫原子鐘達到2000萬年才相差 1 秒。在國際上， 普遍採用銫原子鐘的躍遷頻率作為時間頻率的標準，廣泛使用在天文、大地測量和國防建設等各個領域中。

發展簡史

二十世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的拉比和他的學生在研究原子及其原子核的基本性質時所獲得的成果，使基於上述原子計時器的時鐘研製取得了實質性進展。在拉比設想的時鐘里，處於某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，並因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷。反饋迴路可調節振動場的頻率，直到所有原子均能躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈衝，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。1949年，拉比的學生拉姆齊提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精確。

二戰後，美國國家標準局和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。世界上第一個原子鐘是由美國國家物理實驗室的埃森和帕里合作建造完成的，當時這個鐘需要一個房間的設備，另一名科學家扎卡來亞斯使得原子鐘成為一個更為實用的儀器。1954年，他與麻省的摩爾登公司一起建造了以他的便攜式儀器為基礎的商用原子鐘。兩年後該公司生產出了第一個原子鐘，並在四年內售出50個，如今用於GPS的銫原子鐘都是這種原子鐘的後代。

1967年，人們依據銫原子的振動而對秒做出了重新定義。

1995年在法國研製成功的冷原子鐘(銫原子噴泉)，利用了"激光冷卻和囚禁原子原理和技術"，使原子鐘的水平又提高了一個數量級。世界上只有法國、美國、中國、德國等少數幾個國家研製成功。

今天，名為NIST F-1的原子鐘是世界上最精確的鐘表，但它並不能直接顯示鐘點，它的任務是提供"秒"這個時間單位的準確計量。這一計時裝置安放在美國科羅拉多州博爾德的國家標準和技術研究所(NIST)物理實驗室的時間和頻率部內。1999年才建成的這座鐘價值約為65萬美元，可謂身價不菲。在2000萬年內，它既不會少1秒也不會多1秒，其精度之高由此可見一斑。這架昂貴的時鐘既沒有指針也沒有齒輪，只有激光束、鏡子和銫原子氣。

重要意義

對國家經濟建設、基礎科研，特別是國防安全都極為重要。1967年國際計量大會將秒的定義從天文秒改為原子秒。上世紀末，美國研製成功了GPS全球衛星定位系統，在軍事、科研、計量、航空、航天、通訊、氣象、資源、環境、大地測量各領域中，發揮着巨大的作用。銫原子噴泉鍾是GPS的基礎支撐技術。原子時，並溯源到美國標準技術院(NIST)的銫原子噴泉鍾。由於時間頻率基準關係到國家核心利益，而銫原子噴泉鍾是一個國家獨立時間頻率體系的源頭，因此發達國家紛紛加大投入研製改進一代又一代的銫原子噴泉鍾。