Atomóra

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Atomórának olyan típusú órát nevezünk, melyben atomok rezgésszámát használják fel egy pontos frekvencia előállítására. A frekvenciát egy számlálóba vezetik, amely másodpercet és abból származtatott nagyobb időegységeket mutat.

Atomórákkal már a XX.század elején kísérleteztek, 1949-ben az en:National Bureau of Standards (amerikai szabványügyi hivatal, NBS) épített egyet, melyben ammónia atom rezgését használták fel. Az első, cézium-133 atommal működő órát 1955-ben en:Louis Essen építette meg Angliában, a Nemzeti Fizikai Laboratóriumban. Ezek után fogadták el nemzetközi egyetértéssel az atomórák által előállított másodpercet, mint a másodperc meghatározását.

Az atomórák pontossága jelenleg a 10⁻¹² nagyságrendben van.

2004 augusztusában az amerikai NIST (Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet, USA) bemutatott egy kicsinyített atomóra változatot, mely a korábbi konstrukciókhoz képest nagyjából 100:1 méretű. A készülék mindössze 75 milliwatt energiát fogyaszt, így működtethető akár akkumulátorról is.

A hétköznapi életben használt rádióvezérelt-órákat néha atomórának is nevezik, ez azonban kicsit félrevezető, ugyanis ezek az órák csupán rádióhullámok útján veszik az atomórák által előállított pontos időt, nem ők maguk állítják elő.

Tartalomjegyzék 1 Hogyan fedezték fel? 2 Hogyan működik? 2.1 Elvi működés 2.2 A céziummal működő atomóra gyakorlati működése 3 A szabványos másodperc 4 További atomóra-változatok 5 A különböző órák élettartama 6 Továbbfejlesztés 7 Forrás 8 Kapcsolódó szócikkek 9 Külső, angol nyelvű hivatkozások

[szerkesztés] Hogyan fedezték fel?

A mikrohullámok hatását már az 1930-as évektől kezdve vizsgálták. Az 1940-es években Isador Rabi javasolta, hogy atomok rezgését kellene felhasználni pontos óra készítésére. A második világháború során fejlesztették ki a radart, amely mikrohullámmal működik. A mikrohullám hatásának vizsgálatai során felfedezték, hogy a gázok közül az ammónia pontosan 23,87 GHz frekvencián rezgésbe jön, ennél kisebb vagy nagyobb frekvencián azonban nem.

[szerkesztés] Hogyan működik?

[szerkesztés] Elvi működés

Az ammónia gázt egy kis kamrába zárják, aminek az egyik oldalához mikrohullámú gerjesztő eszköz csatlakozik (ez egyfajta lézer, amit "mézer"-nek neveznek), a másik oldalán pedig egy olyan eszköz van, ami a gáz rezgésére reagál. Ez utóbbi egy mérőeszköz, amelynek jelét visszavezetik a gerjesztő eszközhöz, így visszacsatolás jön létre. A mikrohullámú frekvencia finom változtatásával egy bizonyos frekvencián az ammónia atomok rezgésbe jönnek. Ekkor a mérőeszközön a mért jel rendkívüli mértékben felerősödik. Kisebb vagy nagyobb frekvencián a jel erőssége meredeken csökken. A frekvencia beállítása automatikusan történik. Amikor a legnagyobb jelet kapják, az a frekvencia az ammónia ún. sajátfrekvenciája. Ez az érték a külső gerjesztő eszközön leolvasható. Bár a rezgési sáv elég kicsi, mégis vannak problémák az óra működésével kapcsolatban. Az egyik problémát az okozza, hogy az ammónia molekulák egymással és a kamra falával is ütköznek, ezért a kapott frekvencia kicsit „elkenődik”, kis mértékben pontatlanná válik. A másik probléma abból adódik, hogy az atomok egyszer a mérőeszköz felé, másszor meg az ellenkező irányba haladnak, ez pedig az ún. Doppler-effektus révén szintén a frekvencia megváltozásával jár. (Az ammónia egy molekula, természetesen ennek atomjairól van szó)

A fenti problémák a céziummal kapcsolatban nem jelentkeznek. A cézium szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotú, ezüstös fém. Az atommagot egy elektronfelhő veszi körül, amelyben egyetlen elektron van a legkülső héjon. Ennek az elektronnak kicsiny mágneses mezeje van, mintha a tengelye körül forogna. A cézium atom magja szintén forog, ezzel egy másik mágneses mezőt hoz létre. A két mágneses mező természetesen hatással van egymásra. Amikor a két mágneses tér ugyanabba az irányba mutat, az a cézium atom egyik energia-állapota, amikor a mágneses terek ellenkező irányba néznek, az egy másik energia-állapot. A kétféle állapot közötti átmenetre jellemző a 9 192 631 770 frekvencia. Az elektron vagy elnyeli, vagy kibocsátja az ennek a frekvenciának megfelelő energiájú fontont.

[szerkesztés] A céziummal működő atomóra gyakorlati működése

A céziumot felhevítik, és egy légüres csőbe vezetik. Az atomok a csőben egymás mellett haladnak (tehát nem ütköznek egymással, mint az ammónia esetén). Az atomok a haladásuk során egy mágneses térhez érnek, amelynek iránya merőleges az atomok haladási irányával. Ez azt eredményezi, hogy az atomok közül csak egyféle energia-állapotú atomok haladnak tovább a csőben, a többieket a mágneses tér eltéríti. A továbbhaladó atomokat mikrohullámmal gerjesztik, melynek frekvenciája igen közel van a fent megadott értékhez. Ha a gerjesztő frekvencia megegyezik a cézium atom rezonancia-frekvenciájával, akkor nagy számú atom változtatja meg az energia-állapotát. Ezután az atomok egy másik mágneses mezővel találkoznak, mely eltéríti azokat az atomokat, amelyek nem változtatták meg az energia-állapotukat, a többieket viszont átengedi. Ezek után egy érzékelő szonda következik, amibe a cézium atomok beleütköznek. Az érzékelő szonda a beléje ütköző atomok számával arányos jelet ad ki magából. Ezt a jelet visszavezetik oda, ahol a gerjesztő frekvencia értéke beállítódik, mégpedig olyan módon, hogy minél nagyobb számú atom érkezzen az érzékelőbe. Ami egyúttal azt is jelenti, hogy a beállított frekvencia pontosan megegyezik az atomok saját rezonancia-frekvenciájával.

[szerkesztés] A szabványos másodperc

1967-ben az "International System of Units" (SI), vagyis Nemzetközi Mértékegység-rendszer a másodperc fogalmát úgy határozta meg, mint a cézium-133 atom 9 192 631 770 rezgése alapállapotban, két hiperfinom energia-átmenet között. Ez a meghatározás a céziummal működő atomórát teszi elsődleges forrásnak az idő- és frekvencia-méréseknél. Más fizikai mennyiségek, mint például a volt vagy a méter, a saját szabványukban többek között a másodperc meghatározására támaszkodnak.

[szerkesztés] További atomóra-változatok

Ilyen például a rubídiummal működő atomóra, melynek kedvezőbb a költsége és kisebb a helyigénye a cézium-atomórához képest. Rövid távú stabilitása ugyanolyan jó. Sok kereskedelmi termékben megtalálható ez a fajta óra, mivel hordozható kivitelben készül. A légiközlekedésben is használják. A hidrogénnel működő atomórákat főleg Oroszországban készítik. Ennek kiváló a rövid távú stabilitása, olcsó, hosszú távon azonban kevésbé pontos.

A gyakorlati alkalmazásokban az órákat sokszor kombinálva használják, így például rubídiummal működő atomórát GPS-vevővel kötnek össze. Ezzel a megoldással kiváló rövid távú pontosságot lehet elérni, a hosszú távú stabilitás pedig megfelel a nemzetközi időszabvány kívánalmainak is.

[szerkesztés] A különböző órák élettartama

Egy szabvány élettartama fontos gyakorlati kérdés. A mai rubídium cső legalább 10 évig használható, és mindössze 50 dollárnak megfelelő összegbe kerül. A cézium-cső, amely a nemzetközi szabványoknak is megfelel, körülbelül 7 évig használható, és költsége 35 000 dollár. A hidrogénnel működő cső is alacsony költségű, és élettartama korlátlan.

[szerkesztés] Továbbfejlesztés

A legtöbb jelenlegi kutatás arra irányul, hogyan lehetne az atomóra kisebb, olcsóbb, pontosabb vagy megbízhatóbb. Ezek a célok gyakran ellentmondásban vannak egymással.

Egy konkrét fejlesztés szerint mikrohullámú gerjesztés helyett fényt használnak. A fény magasabb frekvenciája egy stabil lézerrendszerrel együtt nagyobb frekvencia-stabilitást tesz lehetővé. A 2000-es évben bemutatott femtomásodperces frekvencia-fésűvel lehetővé vált az optikai tartományba eső frekvenciák mérése. A világon több helyen folyamatban van fénnyel működő atomóra kifejlesztése. Két alapvető technológia van kipróbálás alatt. Az egyik az "ioncsapdában elszigetelt egy-ionos" megoldás, a másik az "optikai rácsban fogvatartott semleges atom" módszer. Mindkettő lehetővé teszi, hogy az ion vagy az atom a külső zavaró hatásoktól teljesen el legyen szigetelve, így nagyon stabil frekvencia érhető el. További anyagokkal is folynak kísérletek, ilyenek többek között az alumínium (Al), a higany (Hg), a stroncium (Sr) és az itterbium (Yb).

[szerkesztés] Forrás

• Az angol Wikipedia Atomic Clock szócikke
• James Jespersen, Jane Fitz-Randolh: "From Sundials to Atomic Clocks" (US Department of Commerce, Technology Administration, National Institute of Standards and Technology, 1999)

[szerkesztés] Kapcsolódó szócikkek

• Network Time Protocol
• Rádióvezérelt óra
• Másodperc

[szerkesztés] Külső, angol nyelvű hivatkozások

• PTB Braunschweig, Germany – angol és német nyelvű oldal
• National Physical Laboratory (UK) idővel foglalkozó oldal
• NIST Internet Time Service (ITS): "Állítsa be számítógépe óráját az interneten keresztül"
• NIST sajtóközlemény a kicsinyített atomóráról
• a kicsinyített óra saját oldala, bővebb információkkal
• a NIST weboldala
• atomórákkal foglalkozó oldalak, a "The Science Museum (London)" listája