ساعت اتمی

امروزه اندازه‌گیری دقیق زمان در بسیاری از حوزه‌های تکنولوژی جدید، از جمله در اکتشافات فضایی، گردش ماهواره‌ها، دریانوردی و پژوهش های علمی، اهمیتی به سزا دارد و این کار از اواسط دهه‌ی 1950 میلادی به این سو، با ابزاری علمی به نام زمان‌سنج اتمی میسر شده است.
روش‌های جدید دقت در زمان‌سنجی بر اساس زمان‌سنج ساده‌ی کوارتز استوار است که دقت آن به آهنگ ارتعاش پیوسته و یکنواخت بلور کوارتز بستگی دارد. با وجود این، در یک دوره‌ی زمانی، بسامد ارتعاش بلور کوارتز تغییر می‌کند و نیاز به تنظیم مجدد دارد. برای این که زمان‌سنج کوارتز دارای بسامد درست باشد، یک بسامد استاندارد و دقیق برای مقایسه باید موجود باشد؛ این کار تنها از طریق یک زمان‌سنج اتمی شدنی است.
میان زمان‌سنج یا ساعت اتمی و ساعت معمولی شباهت چندانی وجود ندارد. برخلاف ساعت‌های معمولی، ساعت اتمی نه صفحه دارد و نه رقم، و نه صدایی از آن شنیده می‌شود. بنابراین، زمان‌سنج اتمی وقت صحیح را نشان نمی‌دهد بلکه بسامد استاندارد شده‌ای در اختیار ما می‌گذارد که با آن می‌توان زمان‌سنج‌های دیگر را تصحیح کرد. زمان‌سنج اتمی بیش‌تر به تجهیزات پیچیده‌ی آزمایشگاهیِ متصل به پمپ‌های تخلیه و قطعات الکترونیکی شباهت دارد.
در توضیح اساس کار زمان‌سنج اتمی باید گفت که تمام اتم‌ها در حالت طبیعی خود پالس‌ها یا کوانتم‌های انرژی منتشر یا جذب می‌کنند که این پدیده ناشی از جابه‌جایی الکترون‌ها از یک مدار یا تراز انرژی به مدار یا تراز انرژی دیگر در پیرامون هسته‌ی مرکزی است. زمانی که یک الکترون از یک مدار انرژی بالاتر به مدار انرژی پایین‌تر تغییر مکان می‌دهد یک پالس تابش الکترومغناطیسی منتشر می‌شود و بسامد این تابش متناسب با تغییر انرژی افزایش می‌یابد. برعکس، برای راندن یک الکترون از مدار انرژی پایین‌تر به مدار بالاتر، نیاز به «خوراندن» تابش الکترومغناطیسی از یک منبع خارجی است. در این حالت نیز تغییر انرژی متناسب با بسامد تابش است.
ترازهای انرژی اتم از هر پدیده‌ی طبیعی شناخته شده‌ی دیگری باثبات‌تر است و به هیچ روی با تغییر دما، فشار، یا ثقل (گرانی) تغییر نمی‌کند. از همین رو برای تعیین بسامدهای استاندارد یسیار مطلوب است. اتم‌های عناصر مشخصی مانند فلزات قلیایی، سزیوم، روبیدیوم، و هم‌چنین هیدروژن برای تعیین بسامدهای استاندارد بسیار سودمندند. اتم‌های این عناصر تنها یک الکترون در مدار بیرونی برای نشر یا جذب انرژی دارند و بسامد آن‌ها نسبت به اتم‌هایی که الکترون بیش‌تری در مدار بیرونی دارند پیچیدگی کم‌تری دارند و کاربرد آن‌ها آسان‌تر است.
در رابطه با زمان‌سنج سزیومی لازم است گفته شود که اتم سزیوم، بسته به این که الکترون مدار بیرونی آن هم‌سو یا در خلاف جهت هسته در حال چرخش باشد، یکی از دو حالت انرژی را دارد. زمانی که اتم آزاد سزیوم از میدان مغناطیسی می‌گذرد هر یک از این دو حالت به گونه‌ای متفاوت بر مسیر آن تأثیر می‌گذارد. افزون بر این، چنان‌چه اتم سزیوم از میدانی الکترومغناطیسی عبور کند که بسامد آن معادل تفاوت میان دو حالت انرژی اتم سزیوم باشد، اتم از حالتی که دارد به حالت دیگر تغییر خواهد کرد؛ و اگر پرتوهایی از اتم سزیوم از میان چنین میدانی بگذرد و در عین حال بسامد میدان دقیقاً با بسامد طبیعی سزیوم یک‌سان باشد، حداکثر تغییر حالت‌ها اتفاق خواهد افتاد. زمان‌سنج سزیوم، تعداد تغییرات حاصل را به طور غیرمستقیم شمارش می‌کند و پیوسته با یک جریان پس‌خوراند (بازخورد/فیدبک) به تنظیم کننده‌ی بسامد میدان بالاترین تعداد تغییرات ممکنه را می‌دهد. از همین رو، بسامد میدان، برابر با بسامد سزیوم تثبیت می‌شود، و با تقسیم الکترونیکی مناسبِ این بسامدّ بسیار بالا به میزان قابل کنترل، می‌توان دقت ساعت کوارتز را تحت اختیار درآورد.
در عمل، در این روش، سزیوم را که نقطه‌ی ذوب آن بسیار پایین است حرارت می‌دهند؛ بدین ترتیب که در داخل یک استوانه‌ی صاف که هوای داخل آن با پمپ تخلیه شده است، اجاق الکتریکی کوچکی تعبیه می‌کنند. اتم‌ها از شکافی در جلو اجاق به داخل استوانه می‌روند و در آن جریان پیدا می‌کنند (به علت خلأ هوایی وجود ندارد که حرکت اتم‌ها را کند کند). اتم‌ها در مسیر خود از میدان مغناطیسی‌ای عبور می‌کنند که کار آن جدا کردن اتم‌هایی است که در دو حالت مختلف هستند، یعنی اتم‌های هر حالت را به یک‌سو منحرف می‌کند و در همان زمان مسیر آن‌ها را در پرتوهای هم‌گرا متمرکز می‌کند؛ درست همانند آن که نوری از میان یک عدسی محدب (گوژ) گذشته باشد.
توضیح شکل: طرح یک محفظه پرتوهای اتمی که در آن اجاق سزیوم، مغناطیس های منحرف کننده، اتاقک‌های تشدید کننده، و آشکارساز نشان داده شده‌اند. محفظه از مس ساخته می‌شود، زیرا این فلز برای کار کردن در مواردی که با تخلیه‌ی هوا سروکار داریم مناسب است. محفظه با پمپ‌های تخلیه‌ی روغنی از هوا تهی شده است.

پرتوهای مزبور در یک اتاقک تشدید متقارب می‌شوند که شبیه حفره‌ای هوایی (آنتن) است و یک میدان الکترومغناطیسی از آن می‌گذرد. این میدان در بسامدی برابر با 9192 مگاهرتز (میلیون سیکل در ثانیه) نگاه داشته شده است – با سیگنال پنج مگاهرتزی یک ساعت کوارتز که از طریق الکترونیکی تقویت شده است. میدان الکترومغناطیسی در صورتی که ساعت کوارتز دقیقاً در بسامد صحیح کار کند، جهت چرخشِ تقریباً تمام اتم‌هایی را که از میان آن عبور می‌کنند تغییر خواهد داد؛ و این عمل بدون تأثیرگذاری بر تمرکز منظم و شکل یافته‌ی پرتوهایی است که اتم‌ها در آن حرکت می‌کنند.
پرتوها در مقابل شکاف باریک در وسط تشدیدکننده به حالت متمرکز می‌رسند، به طوری که اتم‌های خارج از مسیر متوقف می‌شوند. آن سوی دیگر شکاف، پرتوها پراکنده می‌شوند. اما به دلیل تمرکز موجود، شکل متقاطع به خود می‌گیرند؛ یعنی اتمی که در قسمت چپ پرتوها بود در مقابل شکاف به سمت راست می‌رود. در همین زمان، تشدید کننده جهت چرخش تقریباً همه‌ی اتم‌ها را تغییر داده است. نتیجه‌ی نهایی آن که این دو نوع تغییر یک‌دیگر را خنثی می‌کنند، زیرا اتم‌هایی که در یکی از دو حالت هستند هر یک در یک سمت پرتوها قرار می‌گیرند؛ و اتم‌های پرتوهایی که از تشدید کننده خارج می‌شوند در همان سمتی خواهند بود که به آن داخل شده‌اند.
سپس پرتوها از مغناطیس دوم عبور می‌کنند. این مغناطیس به نحوی تنظیم شده که پرتوهای مزبور به یک ابزار آشکارساز در انتهای لوله برخورد کنند. در این جا تعدادی انگشت‌شمار از اتم‌هایی که حالت آن‌ها تغییر نکرده است، و در سمت «نادرست» پرتوها قرار دارند به سمت دیگر پرتوها پرتاب می‌شوند و در محل اصلی قرار می‌گیرند. اتم‌هایی که به آشکارساز برخورد می‌کنند باعث می‌شوند سیگنالی از آن منتشر شود و به ساعت کوارتز پس‌خورانده شود.
اگر بسامد ساعت کوارتز کمی نامتعادل باشد، بسامد تشدید کننده‌ی داخل استوانه 9192 مگاهرتز نخواهد بود و جهت چرخش اتم‌ها نیز تغییری نمی‌کند. درنتیجه تمام اتم‌هایی که از تشدید کننده خارج می‌شوند در سمت نادرست پرتوها قرار می‌گیرند که در اصل می‌بایست در آشکارساز متمرکز می‌شدند. هیچ یک از آن‌ها به آشکارساز برخورد نمی‌کند. نبود سیگنال نشانگر آن است که ساعت کوارتز باید بسامد خود را تغییر دهد تا زمانی که دوباره سیگنال ظاهر شود. با این روش می‌توان دقت ساعت کوارتز را به اختلاف یک ثانیه در هزار سال رساند.
امروزه انواع دیگری از زمان‌سنج‌های اتمی در جهان استفاده می‌شود. اما زمان‌سنج سزیومی که در آزمایشگاه ملی فیزیک در انگلستان تکمیل شده است در حال حاضر اساس بعضی از سنجش‌های بین‌المللی زمان به شمار می‌رود. در انواع دیگر، معمولاً برای تولید سیگنال بسامد اتمی از میزر استفاده می‌شود (میزر = تقویت میکروموج با گسیل برانگیخته‌ی تابش). در انواع اولیه از میزر آمونیوم استفاده می‌کردند، اما اینک هیدروژن جای‌گزین آمونیم شده و از لحاظ دقت بیش‌تر قابل اعتماد است. کاربرد بیش‌تر سبب شده که از گاز روبیدیوم نیز استفاده شود که در این روش به جای میکروموج از سیستم ذره‌بینی استفاده می‌شود. زمان‌سنج‌های اتمی تجاری امروزه در دسترس‌اند و در انستیتوهای تحقیقاتی، ایستگاه‌های رادیویی، سازمان‌های علمی، و صنعت کاربرد دارند. زمان‌سنج اتمی سزیومی در نمونه‌های قابل حمل نیز تولید شده است.