Domanda:
Perché gli orologi atomici usano solo il cesio?
Pinki
2015-06-29 23:38:35 UTC
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I moderni orologi atomici usano solo atomi di cesio come oscillatori. Perché non usiamo altri atomi per questo ruolo?

Il cesio non è l'unico materiale utilizzato negli orologi atomici.Il rubidio è stato utilizzato anche negli orologi atomici disponibili in commercio.
Anche il cesio non è realmente "stato dell'arte";gli orologi allo stronzio stanno iniziando a superarlo, anche se forse non ancora per scopi commerciali.Vedi ad esempio il lavoro del gruppo di Jun Ye alla JILA.
Sono regole sindacali.
Questo probabilmente cambierà.So che molte persone stanno lavorando anche sugli orologi atomici Yb perché l'elemento offre una stabilità temporale ancora migliore.
A questo punto, perché è una definizione?"Il tempo necessario per 9.192.631.770 oscillazioni di un atomo di * cesio * -133."
Perché le domande stupide ottengono così tante visualizzazioni.Intendo le domande che possono essere per lo più cercate su Google?
Cinque risposte:
#1
+92
Floris
2015-06-30 00:03:35 UTC
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"Perché è così che viene definito il secondo" è carino - ma questo ci porta immediatamente alla domanda "perché il cesio è diventato lo standard"?

Per rispondere a questa domanda dobbiamo guardare al principio di un orologio atomico: guardi la frequenza della transizione iperfine - una divisione dei livelli di energia causata dal campo magnetico del nucleo. Affinché questo funzioni è necessario:

  • un atomo che possa essere facilmente vaporizzato (nei solidi, il principio di esclusione di Pauli provoca l'allargamento della linea)
  • un atomo con un campo magnetico (per l'interazione elettrone-campo): numero dispari di protoni / neutroni
  • un atomo con un solo isotopo stabile (quindi non devi purificarlo e non ottenere più linee)
  • un'alta frequenza per la transizione (misurazione più accurata in un tempo più breve)

Quando metti tutti i possibili elementi candidati contro questa tabella, scopri che Cs-133 è il tuo miglior candidato . Il che lo rendeva l'elemento preferito; poi lo standard; e ora, praticamente l'unico utilizzato.

Ho trovato molte di queste informazioni su http://www.thenakedscientists.com/forum/index.php?topic=12732.0

@TankorSmash: interessante.Vedo che lo stavo usando nel senso "ora più attuale" (che è la prima definizione che appare se cerchi su Google "cosa significa" supplica la domanda "").Penso che il mio significato sia ben compreso.Vedi anche http://english.stackexchange.com/a/306/63462.Tuttavia, ho modificato la mia risposta, non voglio che un linguaggio scadente ostacoli la chiarezza.
Interessante.Ho sempre pensato che fosse semplicemente definito in quel modo perché è lì che hanno trovato l'elettrone la cui proprietà del tempo di spin qualcosa o altro (dimentico esattamente cosa è usato nella definizione) era la più vicina esattamente a 1/86400 di un giorno.
@TankorSmash Non è un caso chiaro ma penso che "solleva la domanda" in questo caso andava bene.Dire "Il secondo è stato definito in questo modo" presuppone più o meno la risposta a "Perché il secondo è definito utilizzando orologi al cesio", che è ciò che significa chiedere l'elemosina.
@MasonWheeler: Non è un elettrone, un atomo di cesio e la sua particolare transizione ha una frequenza di 9,192,631,770 al secondo.Non è esattamente un numero tondo.
#2
+26
WhatRoughBeast
2015-06-30 00:21:15 UTC
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La scelta del cesio è dovuta a vari fattori. Vale la pena notare che la tua affermazione "Gli orologi atomici moderni usano solo atomi di cesio" è semplicemente falsa. Per lo meno, gli orologi al rubidio e all'idrogeno sono comuni e puoi ottenere standard di rubidio su eBay per ben meno di $ 200. Ma le migliori prestazioni derivano dall'uso del cesio. In parte questo è dovuto al fatto che è stato scelto come standard, e come tale è considerato più utile dedicare sforzi di sviluppo a miglioramenti allo standard piuttosto che un'alternativa.

Ma perché è stato scelto il cesio? Vari fattori:

  1. A temperature ragionevoli, il cesio ha un'elevata pressione di vapore, rendendo gli effetti di risonanza relativamente facili da osservare.

  2. Grande transizione iperfine, creando una migliore Q del risonatore risultante.

  3. Al contrario del rubidio, il cesio ha solo un isotopo stabile, quindi ottenere un gas veramente puro è molto più facile. Non è richiesta alcuna separazione isotopica.

EDIT - PlasmaHH ha sottolineato la stabilità in frequenza superiore dell'idrogeno rispetto al cesio. Anche se questo è vero, il cesio mostra una migliore accuratezza intrinseca (circa 2 ordini di magnintudine) e nessun effetto di invecchiamento, dove l'idrogeno invecchia. La combinazione rende il cesio uno standard migliore, poiché uno standard non ha riferimenti da controllare per calibrare le derive. Vedi http://www.chronos.co.uk/files/pdfs/itsf/2007/workshop/ITSF_workshop_Prim_Ref_Clocks_Garvey_2007.pdf per una discussione da parte di un produttore.

"la migliore prestazione" è piuttosto confusa qui.Per lo più gli AHM sono considerati più stabili in frequenza rispetto al cesio nell'industria.
@PlasmaHH AHM significa?
@WetSavannaAnimalakaRodVance: maser a idrogeno attivo
Sfortunatamente $ 200 su eBay non ti compreranno la possibilità di fare l'esperimento Halfele-Keating a casa :( Attendo con ansia il giorno in cui i bambini delle scuole possono farlo quando vanno via per le vacanze!
#3
+15
CharlieB
2015-07-03 03:30:09 UTC
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Come menzionato da WhatRoughBeast, il cesio offre diversi vantaggi rispetto ad altri standard per microonde. La sua caratteristica più importante è la presenza di una transizione atomica con una larghezza di riga molto piccola. Ciò consente di stabilire in modo molto accurato l'energia di questa transizione (vedere il principio di indeterminazione).

Tuttavia, il cesio non è l'unico atomo con una transizione stretta. Ad esempio, gli ioni Yb + hanno una transizione ottupolare larga nHz: un atomo eccitato in questo stato durerebbe per diversi anni prima di decadere. Ciò, in linea di principio, consentirebbe di determinare molto bene la frequenza della transizione.

Allora perché gli orologi atomici usano solo il cesio? Bene ...

Non lo fanno

Il secondo moderno è definito in termini di transizione iperfine del Cs quindi, ovviamente, nessun altro orologio può essere come accurato come il cesio, puramente per definizione. Ma nel campo degli orologi atomici, la parola "accurato" assume un significato specifico.

Spesso in fisica, ci riferiamo a accuratezza e precisione. La accuratezza di qualcosa è quanto bene la sua media concorda con il valore "corretto", mentre la precisione è la dispersione dei risultati. Guarda l'immagine sotto.

Accuracy vs. precision

Per gli orologi atomici, le quantità rilevanti sono accuratezza e stabilità. Qui, la precisione si riferisce a quanto bene l'orologio realizza il SI secondi e la stabilità si riferisce a quanto velocemente lo fa. La stabilità (in) di un orologio si verifica perché tutte le misurazioni hanno un rumore statistico: è solo dopo molte misurazioni che ottieni la risposta giusta e la stabilità ti dice quante misurazioni devi fare .

Rappresentazioni secondarie del secondo SI

Quindi, se il secondo è definito dal cesio, perché ho detto che non tutti gli orologi lo usano?

Il Comite International des Poids et Mesures (CIPM) nel 2012 ha adottato 8 rappresentazioni secondarie del secondo SI. 7 di questi sono orologi ottici che offrono molti vantaggi rispetto a una fontana di cesio (nota come standard a microonde).

Per sapere quanto è buono un orologio, devi confrontarlo con un altro orologio altrimenti non hai riferimenti! Le migliori fontane moderne di cesio concordano tra loro a circa $ \ frac {\ Delta \ nu} {\ nu} \ approx 10 ^ {- 16} $. I moderni orologi atomici ottici, come gli orologi a ioni di itterbio o gli orologi a reticolo di stronzio, possono mostrare accordi che si avvicinano a $ \ frac {\ Delta \ nu} {\ nu} \ approx 10 ^ {- 18} $: è 100 volte meglio! Inoltre, gli orologi ottici stanno ancora migliorando rapidamente. Sembra che, molto presto, i migliori orologi ottici supereranno gli orologi a microonde di molti ordini di grandezza. Vedi questo articolo su Nature per ulteriori informazioni.

Questi orologi funzionano utilizzando transizioni che utilizzano frequenze visibili al contrario delle frequenze a microonde utilizzate negli orologi Cs. Quindi, mentre Cs è ancora la definizione del secondo, i moderni orologi ottici offrono prestazioni di gran lunga migliori e si prevede che presto sostituiranno il cesio come standard.

Il grafico sotto mostra le prestazioni degli orologi atomici nel tempo. I punti rossi rappresentano i punti in cui gli orologi ottici si comportano meglio degli orologi al cesio. È importante notare che le fontane al cesio hanno subito miglioramenti di 5 ordini di grandezza negli ultimi 40 anni: un'impresa non da poco!

Atomic clock history

#4
+3
m0nhawk
2015-06-29 23:41:33 UTC
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Perché un secondo è definito come (dalla brochure SI):

la durata di 9192631770 periodi di radiazione corrispondenti alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio -133, $ {} ^ {133} \ mathrm {Cs} $.

Pertanto, l'utilizzo di qualsiasi altro atomo è irrilevante (anche se calcoli qualche fattore di tempo di correzione).

Questo genere di cose solleva ancora la questione del perché il cesio sia stato scelto come standard, però.
@EmilioPisanty Questa è una bella domanda, ma a parte "è stabile, è onnipresente, è storico" non riesco a trovare nessuna bella spiegazione su questo.
Non sono sicuro che appartenga a questo posto, però.Ci sono due parti della risposta, "perché c'è uno standard che tutti dobbiamo seguire o non siamo abbastanza sicuri di parlare della stessa cosa", e poi "abbiamo scelto il cesio come standard perché ...".Il post originale così come proposto trova una buona risposta dalla prima (e tua) risposta - Pinki dovrebbe approfondire quanti dettagli stanno cercando.
@EmilioPisanty - Ho elaborato la seconda parte ...
Se qualche altro isotopo fosse migliore, useremmo e calcoleremmo semplicemente il periodo di transizione sulla base di un confronto con il cesio per scopi commerciali.
Per la base storica alla base della definizione, vedere [Wikipedia] (http://en.wikipedia.org/wiki/Second#Based_on_caesium_microwave_atomic_clock) e [questa domanda] (http://physics.stackexchange.com/questions/73766/how-è-un-secondo-misurato-e-perché-è-misurato-in questo modo).
Altri atomi non sono irrilevanti;alcune transizioni offrono fattori Q e stabilità migliori rispetto al cesio.Finché esiste un rapporto ben definito, questi possono essere utilizzati per realizzare invece il secondo.Vedi: http://www.bipm.org/utils/en/pdf/CI-2013-1-EN.pdf
#5
-2
DigiDuncan
2015-06-30 02:42:59 UTC
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Come altri utenti hanno detto, ha un isotopo stabile, quindi è carino.

È anche lo standard SI. definiamo il secondo da Cesio. Nello specifico:

Il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi di radiazione corrispondenti alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio 133.

Quindi, se usassimo un altro atomo, non sarebbe così preciso. Anche se calcolassimo quanti periodi di un'altra sostanza sono necessari per eguagliare un secondo, anche se fosse solo di un fattore 10 -12 , non sarebbe comunque accurato come il sistema che abbiamo stai usando oggi.

Se si costruisse un oscillatore più stabile di un orologio al cesio, non sarebbe un ostacolo se la sua frequenza non fosse un multiplo esatto di 1 Hz.Qualsiasi frequenza può essere sintetizzata da qualsiasi altra frequenza per mezzo di un Phase Locked Loop.
Il problema, se ho capito bene, è che dato qualsiasi altro tipo di oscillatore, * non sappiamo * quale sia la frequenza, in secondi.Possiamo misurarlo, ma ci sono limiti alla precisione con cui possiamo misurarlo.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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