Atomové hodiny do každé rodiny

25. říjen 2008 | 06.00 |

Aby satelitní navigační systém fungoval správně, je nezbytné aby družicové signály byly vysílány synchronně. Družice musí být proto vybaveny velmi stabilními hodinami, které tento požadavek splní. Družice Galileo ponesou dva druhy hodin: rubidiové atomové hodiny a vodíkové "maserové" atomové hodiny. Přesnost rubidiových hodin je 3 sekundy zpoždění za milion let. Vodíkové hodiny jsou ještě přesnější, zpozdí se jen o 1 sekundu za milion let. Nicméně taková přesnost je nutná, protože chyba při měření času pár nanosekund (miliardtiny vteřiny) by způsobila nepřípustnou polohovou chybu v řádu metrů.

Atomové hodiny fungují podobně jako klasické hodiny. K měření času se ale nevyužívá oscilující "hmota" jako například kyvadlo u kyvadlových hodin, ale vlastnosti atomů při přechodu mezi různými energetickými stavy.
Atomové hodiny jsou založeny na využití přechodu elektronu v atomovém obalu z jednoho stavu do jiného s vyšší energií. Princip hodin spočívá v nastavení frekvence oscilátoru, který budí mikrovlnné elektromagnetické pole, pomocí energie přechodu elektronu v atomovém obalu atomu ze stavu s nižší energií do stavu s energií vyšší. Využívá se toho, že díky kvantovým vlastnostem probíhá vyzařování a pohlcování elektromagnetického záření pouze v kvantech s přesně danou energií E, která souvisí s frekvencí f tohoto záření vztahem E = h∙f, kde h je tzv. Planckova konstanta. Přechod elektronu z jednoho stavu do vybuzeného stavu s o trochu vyšší energií je tak možný jedině pomocí elektromagnetického záření s velice přesně danou frekvencí odpovídající požadované změně energie. S výhodou je možno využít také toho, že v každém z těchto dvou stavů má atom jiný moment hybnosti (spin), a tedy i jiný magnetický moment. V jednom je tedy slabším a v druhém silnějším magnetem.
Atomové hodiny obsahují elektrický oscilátor, který v dutinovém rezonátoru budí elektromagnetické pole s danou frekvencí, například v mikrovlnné oblasti. Pro nastavení a kontrolu frekvence se využívá například atomů cesia nebo rubidia. U izotopu 133Cs je použit přechod vyvolávaný zářením s frekvencí 9 192 631 770 Hz. Další důležitou součástí hodin je zdroj par cesia. Atomy ze zdroje prochází magnetickým polem, které oddělí "slabé magnety" od "silnějších".

Do dutiny rezonátoru, která je vyplněná elektromagnetickým polem s danou frekvencí, pošle jen atomy, u kterých je elektron ve stavu s nižší energií. Pokud je frekvence oscilátoru budícího pole správná, přejdou elektrony v atomech pohlcením fotonů s odpovídající energií do stavu s vyšší energií. Za rezonátorem je opět magnet, který oddělí atomy v různém stavu a ty ve stavu s vyšší energií pošle na detektor.

Pokud je frekvence správná, dopadá na detektor intenzivní tok atomů cesia. Pokud ne, není na detektoru signál a je třeba měnit frekvenci oscilátoru tak, abychom dostali signál co největší. Udržuje se tak velmi stabilní přesná frekvence a počítáním kmitů dostáváme velmi přesný časový údaj. Frekvence přechodu elektronu v atomu cesia je tak přesně určena, že se využívá k definici sekundy.
V současné době je u nejlepších atomových hodin nejistota v určení času jen o něco větší než 0,1 ns = 10-10s na 24 hodin. Relativní přesnost tak dosahuje hodnoty téměř 10-15. Jinak řečeno, za zhruba 15 miliónů let by se takové hodiny rozcházely nejvýše o jednu sekundu. Dosahovaná přesnost je závislá na tom, jak se u jednotlivých atomů liší energie (frekvence), které jsou potřebné k vybuzení elektronu z jednoho stavu do druhého. Jejich rozdíly jsou způsobeny dvěma fyzikálními jevy.
První vzniká tím, že se každý atom náhodně pohybuje a u každého tak vzniká jiná velikost Dopplerova posuvu u jim pohlcovaného fotonu. Tepelný pohyb atomů je náhodný a rozdělení rychlostí závisí na teplotě plynu. Čím je vyšší teplota, tím jsou vyšší i rychlosti pohybu atomů. Dostáváme tak rozmazání hodnot frekvencí oscilátoru, které jsou potřebné pro vybuzení (excitaci) atomů. Maximální počet vybuzených atomů dopadajících do detektoru dostáváme pro určité rozpětí frekvencí, které tak určuje i časovou nepřesnost hodin. Vliv tohoto rozmazání lze silně omezit co největším snížením teploty pracovního plynu. Proto je u nejpřesnějších atomových hodin snaha dosáhnout jeho co nejnižší teploty.
Druhý jev je kvantové povahy. Některé veličiny nelze určovat s libovolnou přesností současně. Takovými veličinami jsou také energie a čas. Excitovaný stav, do kterého se atom dostane, není stabilní. Elektron přechází po nějaké době do stavu s nižší energií za současného vyzáření fotonu s energií, která se jeho přechodem uvolnila. Pravděpodobnost toho přechodu je přesně dána. I když tedy u jednotlivého atomu nelze říci, kdy u něj k přechodu dojde, u velkého souboru těchto atomů můžeme přesně říci, za jak dlouho přejde polovina z původního počtu vybuzených atomů do stavu s nižší energií. Tato doba se označuje jako poločas vybíjení daného stavu. Čím menší je poločas vybíjení, tím méně přesně je definována energie vybuzeného stavu. Součin poločasu a neurčitosti energie je úměrný Planckově konstantě, která se nám v článku už objevila. Popisovaná zákonitost se označuje jako Heisenbergův princip neurčitosti. I tento jev vede k rozmazání hodnoty frekvence oscilátoru, která dokáže vybudit atomy. Doba života vybuzeného stavu a rozmazání velikosti jeho energie jsou však pro definovaný přechod daného druhu atomu přesně určeny a nelze je změnit. Musíme začít používat jiný přechod, případně i jiný druhu atomu. A to takový, u kterého má vybuzený stav delší poločas vybíjení a tím i menší neurčitost v energii. Proto se v současnosti hledají nejvhodnější přechody v různých atomech. Pracuje se například se rtutí či yterbiem. Vypracovávají se metody co největšího ochlazení souboru použitých atomů. Díky tomu by se mělo v nejbližší době dosáhnout až takové přesnosti atomových hodin, která by připustila za dobu rovnající se zhruba stáří vesmíru neurčitost ne větší než jednu sekundu.
Nutno poznamenat, že náš popis je zjednodušený a reálná konstrukce přesně fungujících atomových hodin je daleko složitější. Fyzikální principy určují pouze ideální případ a zmiňované dosažené přesnosti jsou dány konkrétním technickým provedením. Některé typy atomových hodin mohou být velmi přesné v kratší časové oblasti a jsou méně stabilní v dlouhodobějším provozu. U dalších to může být opačně. Proto se v časových laboratořích často používá více typů a vzájemným porovnáním se dosahuje ještě větší přesnosti měření času.
Galileo rubidiové hodiny jsou tvořeny atomovým rezonátorem a řídící elektronikou. Uvnitř atomového rezonátoru je rubidiová parová kyveta. Atomy jsou udržovány v plynném stavu a o vysoké teplotě. Pro zpuštění rezonance (rezonance = buzené kmity) se atomy v kyvetě excitují na vyšší energetický stav světlem rubidiové výbojky umístěné v jednom konci atomového rezonátoru. Na druhém konci kyvety je fotodioda, která detekuje množství světla procházející kyvetou. Po excitaci se atomy vracejí na nižší energetický stav. Z tohoto stavu jsou atomy excitovány zpět na střední hladinu vpuštěním mikrovlnné energie na dané frekvenci do rezonátoru. Přechod na střední hladinu nastane jedině pokud frekvence přesně odpovídá dané frekvenci. Když jsou atomy ve středním stavu, pohlcování světla je na maximu. Výstup z fotodiody je napojen na řídící obvod který upravuje mikrovlnnou frekvenci. Správná frekvence je udržována laděním mikrovlného zdroje tak, aby se docílilo maximálního světelného pohlcování. Rezonance je tedy udržována energií z rubidiové výbojky, protože atomy ve středním stavu jsou znovu excitovány na vyšší stav a poté padají na nižší stav - a celý proces se znovu začíná.
Galileo vodíkové maserové hodiny (na videu) jsou také tvořeny rezonátorem a řídící elektronikou. Malá skladovací nádoba v těchto hodinách zásobí molekulárním vodíkem plynnou výbojku. Tam jsou molekuly vodíku rozloženy na atomární vodík. Po rozložení atomy vstupují do rezonanční dutiny přes kolimátor (zařízení k udržení paprsku ve vymezeném průřezu) a magnetický přepínač. Tento magnetický přepínač vpouští do resonanční dutiny atomy jen na určitém energetickém stavu. V rezonanční dutině jsou atomy zachyceny v křemenné skladovací baňce. Zde vodíkové atomy tíhnou k návratu do jejich "základního" energetického stavu a přitom vyzařují záření o mikrovlnné frekvenci.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.82 (11x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Související články

žádné články nebyly nenalezeny

Komentáře