TEMA BROJA
Pripremio: G.T.
Sedamsto godina života sa časovnikom
Merenje vremena
Atomski sat
 Atomski sat je najtačniji sat na svetu. On čak preciznije “beleži” vreme od rotacije Zemlje i kretanja zvezda. Bez njega ne bi bio izvodljiv ni GPS (Global Positioning System), navigacija ne bi bila moguća, položaji planeta ne bi se mogli određivati tako precizno, svemirski letovi ne bi mogli tako dobro da se “organizuju”… Dugoročna preciznost koja se postiže modernim cezijumskim časovnikom (najčešće korišćena vrsta atomskog sata) veća je od jedne sekunde na milion godina. Atomski sat je, time, u poređenju sa astronomskim tehnikama, preciznost merenja vremena uvećao milion puta.
Atomski sat je uređaj za standardizaciju vremena na osnovu učestalih oscilacija unutar atoma ili molekula. Daglas Dvajer, osnivač britanske firme “Frequency Precision”, u jednom elektronskom naučnom magazinu atomski sat poredi sa običnim časovnikom budući da i ovaj ima oscilirajuću masu i “oprugu”, ali dodaje da je velika razlika među njima u tome što se osciliranje u atomskom satu odnosi na jezgro atoma i okolne mu elektrone, i što se njegove oscilacije ne mogu smatrati pravom paralelom između klatna u časovniku i one fine opruge koja reguliše njeno kretanje. I atomski i običan mehanički časovnik za registrovanje protoka vremena koriste osciliranje, ali kod atomskog sata je ono određeno masom nukleusa i silom gravitacije, i elektrostatičkom “oprugom” između pozitivnog naboja nukleusa i elektronskog oblaka.
Atomi pod vakuumom
Atomi imaju karakteristične frekvencije osciliranja. Najpoznatija frekvencija je verovatno narandžasti sjaj natrijuma iz kuhinjske soli koja se prospe po plamenu. Atom može da ima mnoge različite frekvencije, ali je cezijum 133 element koji se najčešće koristi u atomskim satovima.
Da bi se cezijumova atomska rezonanca preobratila u atomski sat, neophodno je precizno izmeriti jednu od njegovih frekvencija, što se obično čini vezivanjem jednog kristalnog oscilatora za glavnu mikrotalasnu rezonancu cezijumovog atoma. Taj signal je u mikrotalasnom opsegu radijskog spektra i, sticajem okolnosti, u istoj je vrsti frekvencija kao direktno emitovani satelitski signali. Inženjeri poznaju način na koji se u toj oblasti spektra izrađuju odgovarajući uređaji.
Da bi se napravio sat, cezijum se prvo zagreva i atomi prolaze kroz jednu cev pod visokim vakuumom – prvo kroz magnetno polje koje selektuje atome odgovarajućeg energetskog stanja, pa potom prolaze kroz intenzivno mikrotalasno polje. Frekvencija mikrotalasne energije njiše se natrag i napred u uskom opsegu frekvencija tako da u jednoj tački svakog ciklusa prelazi frekvenciju od tačno 9,192,631,770 Herca. Domet mikrotalasnog generatora je ionako blizu baš toj frekvenciji, budući da potiče od preciznog kristalnog oscilatora. Kad atom cezijuma primi mikrotalasnu energiju na tačnoj frekvenciji, njegovo energetsko stanje se menja.
Na drugoj strani cevi, drugo magnetno polje izdvaja atome izmenjenog energetskog stanja ukoliko je mikrotalasno polje na tačnoj frekvenciji. Jedan detektor na kraju cevi daje output proporcionalan broju cezijumovih atoma koji ga udaraju, pri čemu su najveće vrednosti output-a onda kad je mikrotalasna frekvencija tačna. Ta najveća vrednost se potom koristi za izvođenje male korekcije kako bi se kristalni oscilator, odnosno mikrotalasno polje, podesili na preciznu frekvenciju. Tako utvrđena frekvencija se potom deli sa 9,192,631,770 kako bi se dobio jedan otkucaj po sekundi neophodan u realnom svetu.
Laboratorijski najprecizniji
Kako se meri atomsko vreme? Tačna frekvencija određene cezijumove rezonance se međunarodnim sporazumom definiše kao 9,192,631,770 Herca, tako da se, deljenjem output-a ovim brojem dobije tačno 1 Herc, ili jedan ciklus po sekundi.
 Danas postoji više vrsta atomskih satova, ali svi rade na istom principu. Najveća razlika među njima se odnosi na element koji koriste kao sredstvo detektovanja promene energetskih nivoa: cezijumski koriste snop cezijumovih atoma, pri čemu sat uz pomoć magnetnog polja razdvaja cezijumove atome različitih energetskih nivoa; vodonični atomski satovi održavaju atome vodonika na odgovarajućem energetskom nivou u jednom kontejneru sa zidovima od specijalnog materijala tako da atomi ne gube prebrzo visok energetski nivo; najjednostavniji i najkompaktniji, rubidijumski atomski satovi, koriste staklenu ćeliju sa gasom rubidijumom, koja menja apsorbovanje svetlosti na optičkoj rubidijumovoj frekvenciji kad je okolna mikrotalasna frekvencija tačna. Najprecizniji su cezijumski atomski satovi sa normalnim magnetnim poljem.
Prve takve atomske satove proizvodila je “National Company” iz Masačusetsa (SAD), a danas ih prave razni proizvođači, uključujući “Hewlett Packard”, “Frequency Electronics” i “FTS”. Treba imati u vidu da nove tehnologije stalno unapređuju njihove performanse, pri čemu su najprecizniji laboratorijski cezijumski atomski satovi hiljadu puta precizniji od komercijalnih.
G.T.
|
