Стандарт цезия

цезия, Атомный фонтан используемый как часть атомных часов.

Цезиевый стандарт — это первичный стандарт частоты , в котором поглощение фотонов при переходах между двумя основными сверхтонкими состояниями атомов -133 цезия используется для управления выходной частотой. Первые цезиевые часы были построены Луисом Эссеном в 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании. и продвигается по всему миру Гернотом М.Р. Винклером из Военно-морской обсерватории США .

цезия Атомные часы являются одним из наиболее точных стандартов времени и частоты и служат основным стандартом для определения секунды в Международной системе единиц (СИ), современной метрической системе . По определению, излучение , возникающее в результате перехода между двумя основными сверхтонкими состояниями цезия-133 (при отсутствии внешних воздействий, таких как магнитное поле Земли ), имеет частоту Δ ν _Cs ровно 9 192 631 770   Гц . Это значение было выбрано таким образом, чтобы цезиевая секунда равнялась, до предела измерительной способности в 1960 году, когда она была принята, существующей стандартной эфемеридной секунде, основанной на орбите Земли вокруг Солнца . Поскольку ни одно другое измерение времени не было столь точным, эффект от изменения был меньше, чем экспериментальная неопределенность всех существующих измерений.

Хотя вторая единица является единственной базовой единицей , которая явно определена в терминах стандарта цезия, большинство единиц СИ имеют определения, в которых упоминается либо вторая, либо другие единицы, определяемые с использованием второй. Следовательно, каждая базовая единица, кроме моля , и каждая названная производная единица , кроме кулона , ома , сименса , вебера , грея , зиверта , радиана и стерадиана, имеют значения, которые неявно определяются свойствами сверхтонкого переходного излучения цезия-133. И из них все, кроме моля, кулона и безразмерных радиана и стерадиана, неявно определяются общими свойствами электромагнитного излучения .

Технические подробности

Официальное определение секунды было впервые дано МБМВ на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году: « Вторая — это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основное состояние атома цезия-133. На своем заседании в 1997 году BIPM добавил к предыдущему определению следующую спецификацию: « Это определение относится к атому цезия, находящемуся в состоянии покоя при температуре 0 К ».

МБМВ подтвердил это определение на своей 26-й конференции (2018 г.): « Второе определяется путем принятия фиксированного численного значения частоты цезия ∆Cs, невозмущенной частоты сверхтонкого перехода в основное состояние атома цезия 133, равного 9 192 631. 770, если выражать его в единицах Гц, что равно с. ^–1 . "

Смысл предыдущего определения заключается в следующем. Атом цезия имеет основное электронное состояние с конфигурацией [Xe] 6s. ¹ и, следовательно, символ атомарного терма ² С _1/2 . Это означает, что существует один неспаренный электрон и общий электронный спин атома равен 1/2. Более того, ядро ​​цезия-133 имеет ядерный спин, равный 7/2. Одновременное наличие спина электрона и спина ядра приводит по механизму, называемому сверхтонким взаимодействием , к (небольшому) расщеплению всех энергетических уровней на два подуровня. Один из подуровней соответствует тому, что спины электрона и ядра параллельны (т. е. направлены в одном направлении), что приводит к общему спину F, равному F = 7/2 + 1/2 = 4 ; другой подуровень соответствует антипараллельному спину электрона и ядра (т. е. направленному в противоположные стороны), что приводит к общему спину F = 7/2 - 1/2 = 3 . В атоме цезия так получилось, что самым низким по энергии является подуровень с F = 3 , а F = 4 подуровень лежит энергетически несколько выше. При облучении атома электромагнитным излучением, энергия которого соответствует разнице энергий между двумя подуровнями, излучение поглощается, а атом возбуждается, идя от F = 3 Подуровень на подуровень F = 4 . Через небольшую долю секунды атом повторно испустит излучение и вернется в свое основное состояние F = 3 . Из определения второго следует, что рассматриваемое излучение имеет частоту ровно 9,192 631 77 ГГц , соответствующую длине волны около 3,26 см и, следовательно, принадлежащую СВЧ- диапазону.

Этот конкретный цезиевый резонанс был согласован в соответствии с Конвенцией о метре и до сих пор остается официальным определением второго для мирового сообщества.

Обратите внимание, что распространенная путаница связана с преобразованием угловой частоты ( $\omega$) к частоте ( $f$), или наоборот. Угловые частоты принято обозначать как s ^–1 в научной литературе, но здесь единицы неявно означают радианы в секунду. Напротив, единицу Гц следует интерпретировать как циклы в секунду. Формула преобразования $\omega =2\pi f$, что означает, что 1 Гц соответствует угловой частоте примерно 6,28 радиан в секунду (или 6,28 с ^–1 где радианы по соглашению опущены для краткости).

Параметры и значение во второй и других единицах СИ

Предположим, что стандарт цезия имеет параметры:

• Скорость : с

• Энергия/частота : ч

• Период времени: Δ t _Cs

• Частота: Δ ν _Cs

• Длина волны: Δ λ _Cs

• Энергия фотона: Δ E _Cs

• Эквивалент массы фотона : Δ M _Cs

Время и частота

Первый набор единиц, определенных с использованием цезиевого стандарта, относился к времени, а второй был определен в 1967 году как «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атом цезия 133», что означает, что:

• 1 секунда , с, = 9 192 631 770 Δ t _Cs

• 1 герц , Гц, = 1/с = Δ ν _Cs / 9 192 631 770

• 1 беккерель , Бк, = 1 ядерный распад/с = 1 / 9 192 631 770 ядерных распадов/ Δ t _Cs

Это также связало определения производных единиц силы и энергии (см. ниже) и ампера, определение которого в то время относилось к ньютону, к цезиевому стандарту. До 1967 года единицы времени и частоты в системе СИ определялись по тропическому году , а до 1960 года — по длине среднего солнечного дня.

Длина

В 1983 году метр был косвенно определен в терминах цезиевого стандарта с формальным определением: «Метр — это длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени, равный 1/299 792 458 секунды. Это подразумевало :

• 1 метр , м, = сс / 299 792 458 = 9 192 631 770 / 299 792 458 c Δ t _Cs = 9 192 631 770 / 299 792 458 D λ _Cs

• 1 радиан , рад = 1 м/м = Δ λ _Cs / Δ λ _Cs = 1 (безразмерная единица измерения угла)

• 1 стерадиан , ср, = 1 м ² /м ² = Δ λ _Cs ² / Δ λ _Cs ² = 1 (безразмерная единица телесного угла )

Между 1960 и 1983 годами метр определялся длиной волны другой частоты перехода, связанной с атомом криптона-86 . Он имел гораздо более высокую частоту и более короткую длину волны, чем стандарт цезия, и попадал в видимый спектр . Первое определение, использовавшееся между 1889 и 1960 годами, было международным прототипом метра .

Масса, энергия и сила

После переопределения основных единиц СИ в 2019 году электромагнитное излучение в целом было четко определено как имеющее точные параметры:

• с = 299 792 458 м/с

• h = 6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ Дж с

Было явно определено, что сверхтонкое переходное излучение цезия-133 имеет частоту:

• Δ ν _Cs = 9 192 631 770 Гц

Хотя приведенные выше значения c и Δ ν _Cs уже явно подразумевались в определениях метра и секунды. Вместе они подразумевают:

• Δ t _Cs = 1 / Δ ν _Cs = с / 9 192 631 770

• Δ λ _Cs = c Δ t _Cs = 299 792 458 / 9 192 631 770 м

• Δ E _Cs = h Δ ν _Cs = 9 192 631 770 Гц × 6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ Дж с = 6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻²⁴ Дж

• Δ M _Cs = Δ E _Cs / c ² = 6.091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻²⁴ Дж / 89 875 517 873 681 764 м ² /с ² = 6.091 102 297 113 866 55 / 8.987 551 787 368 1764 × 10 ⁴⁰ кг

Примечательно, что длина волны имеет примерно человеческое значение — около 3,26 сантиметра, а энергия фотонов удивительно близка к средней молекулярной кинетической энергии на степень свободы на кельвин . Из них следует, что:

• 1 килограмм , кг, = 8.987 551 787 368 1764 × 10 ⁴⁰ / 6.091 102 297 113 866 55 Δ M _Cs

• 1 джоуль , Дж, = 10 ²⁴ / 6.091 102 297 113 866 55 Δ E _Cs

• 1 ватт , Вт, = 1 Дж/с = 10 ¹⁴ / 5.599 326 049 076 890 895 507 029 35 Δ E _Cs Δ ν _Cs

• 1 ньютон , Н, = 1 Дж/м = 2.997 924 58 × 10 ²² / 5.599 326 049 076 890 895 507 029 35 Δ E _Cs / Δ λ _Cs

• 1 паскаль , Па, = 1 Н/м ² = 2.694 400 241 737 398 953 933 5912 × 10 ¹⁹ / 4.731 681 297 378 209 131 892 876 988 924 868 114 516 206 15 Δ E _Cs / Δ λ _Cs ³

• 1 Грей , Гр, = 1 Дж/кг = 1 / 89 875 517 873 681 764 Δ E _Cs / Δ M _Cs = с ² / 89,875,517,873,681,764

• 1 зиверт , Зв, = ионизирующего излучения, доза эквивалентная 1 грею гамма-лучей.

До пересмотра, между 1889 и 2019 годами, семейство метрических (а позже и СИ) единиц, относящихся к массе, силе и энергии, как известно, определялось массой Международного прототипа килограмма (IPK), конкретного объекта, хранящегося в в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в Париже , а это означает, что любое изменение массы этого объекта привело бы к изменению размера килограмма и многих других единиц, ценность которых в то время зависела от этого. килограмма.

Температура

С 1954 по 2019 год температурные шкалы СИ определялись с использованием тройной точки воды и абсолютного нуля . В версии 2019 года они были заменены присвоенным значением Больцмана постоянной k 1,380 . 649 × 10 ⁻²³ J/K, подразумевая:

• 1 Кельвин , К, = 1,380 649 × 10 ⁻²³ Дж/2 на степень свободы = 1.380 649 × 10 ⁻²³ × 10 ²⁴ /2 / 6,091 102 297 113 866 55 Δ E _Cs на степень свободы = 1,380 649 / 1,218 220 459 422 773 31 Δ E _Cs на степень свободы

• Температура в градусах Цельсия , °С, = температура в кельвинах - 273,15 = 1,218 220 459 422 773 31 × кинетическая энергия на степень свободы - 377,124 274 35 Δ E _Cs / 1,380 649 Δ E _Cs

Количество вещества

Моль представляет собой чрезвычайно большое количество «элементарных объектов» (то есть атомов , молекул , ионов и т. д.). С 1969 по 2019 год это число составляло 0,012 × массовое соотношение между ИПК и атомом углерода 12 . Версия 2019 года упростила это, присвоив константе Авогадро точное значение 6,022 140 76 × 10. ²³ элементарных единиц на моль, таким образом, единственная среди основных единиц, моль сохранил свою независимость от стандарта цезия:

• 1 моль , моль, = 6,022 140 76 × 10 ²³ элементарные сущности

• 1 katal , kat, = 1 mol/s = 6.022 140 76 × 10 ¹⁴ / 9,192 631 77 элементарных объектов/ Δ t _Cs

Электромагнитные агрегаты

До пересмотра ампер определялся как ток, необходимый для создания силы между двумя параллельными проводами на расстоянии 1 м друг от друга, силой 0,2 мкН на метр. Версия 2019 года заменила это определение, придав заряду электрона e точное значение 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹ кулоны. Несколько нелепо, но кулон по-прежнему считается производной единицей, а ампер — основной единицей, а не наоборот. В любом случае это соглашение подразумевало следующие точные соотношения между электромагнитными единицами СИ, элементарным зарядом и сверхтонким переходным излучением цезия-133:

• 1 кулон , Кл, = 10 ¹⁹ / 1.602 176 634 e

• 1 ампер , или ампер, А, = 1 Кл/с = 10 ⁹ / 1.472 821 982 686 006 218 e Δ ν _Cs

• 1 volt , V, = 1 J/C = 1.602 176 634 × 10 ⁵ / 6.091 102 297 113 866 55 Δ E _Cs / e

• 1 farad , F, = 1 C/V = 6.091 102 297 113 866 55 × 10 ¹⁴ / 2.566 969 966 535 569 956 e ² / Δ E _Cs

• 1 Ом , Ом, = 1 В/А = 2.359 720 966 701 071 721 258 310 212 × 10 ⁻⁴ / 6.091 102 297 113 866 55 Δ E _Cs / Δ ν _Cs e ² = 2.359 720 966 701 071 721 258 310 212 × 10 ⁻⁴ / 6.091 102 297 113 866 55 h / e ²

• 1 сименс , S, = 1/Ом = 6.091 102 297 113 866 55 × 10 ⁴ / 2.359 720 966 701 071 721 258 310 212 e ² / ч

• 1 вебер , Wb, = 1 В с = 1.602 176 634 × 10 ¹⁵ / 6.626 070 15 Δ E _Cs Δ t _Cs / e = 1.602 176 634 × 10 ¹⁵ / 6.626 070 15 h / e

• 1 Тесла , Т, = 1 Втб/м ² = 1.439 964 547 058 622 858 327 023 76 × 10 ¹² / 5.599 326 049 076 890 895 507 029 35 Δ E _Cs Δ t _Cs / e Δ λ _Cs ² = 1.439 964 547 058 622 858 327 023 76 × 10 ¹² / 5,599 326 049 076 890 895 507 029 35 E / ec Δ λ _Cs

• 1 генри , H, = Ω s = 2.359 720 966 701 071 721 258 310 212 × 10 ⁶ / 6.626 070 15 h Δ t _Cs / e ²

Оптические блоки

С 1967 по 1979 год оптические единицы СИ, люмен, люкс и кандела определялись с использованием лампы накаливания свечения платины при температуре ее плавления. После 1979 года кандела определялась как сила света источника монохроматического видимого света с частотой 540 ТГц (т.е. 6000 / 1,02140353 от стандарта цезия) и интенсивность излучения 1/683 на Вт стерадиан. Это связало определение канделы со стандартом цезия, а до 2019 года - с ИПК. В отличие от единиц, относящихся к массе , энергии , температуре , количеству вещества и электромагнетизму , оптические единицы не подвергались массовым изменениям в 2019 году, хотя на них это повлияло косвенно, поскольку их значения зависят от значения ватта и, следовательно, килограмма. Частота, используемая для определения оптических блоков, имеет параметры:

• Частота: 540 ТГц

• Период времени: 50/27 ​ фс ​

• Длина волны: 14,9896229 / 27 мкм

• Энергия фотонов: 5,4 × 10 ¹⁴ Гц × 6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ Дж с = 3,578 077 881 × 10 ⁻¹⁹ Дж

• светоотдача , К _кд , = 683 лм/Вт

• Световая энергия на фотон, $Q_{\mathrm {v} }$, = 3.578 077 881 × 10 ⁻¹⁹ Дж × 683 лм/Вт = 2,443 827 192 723 × 10 ⁻¹⁶ лм с

Это подразумевает:

• 1 люмен , лм, = 10 ⁶ / 2.246 520 349 221 536 260 971 $Q_{\mathrm {v} }$ Δ ν _Cs

• 1 кандела , кд, = 1 лм/ср = 10 ⁶ / 2.246 520 349 221 536 260 971 $Q_{\mathrm {v} }$ Δ ν _Cs /ср

• 1 люкс , лк, = 1 лм/м ² = 8.987 551 787 368 1764 × 10 ² / 1.898 410 313 566 852 566 340 456 048 807 087 002 459 $Q_{\mathrm {v} }$ Δ ν _Cs / Δ λ _Cs ²

Резюме

Параметры сверхтонкого переходного излучения цезия 133, выраженные точно в единицах СИ, составляют:

• Частота = 9 192 631 770 Гц

• Период времени = с / 9 192 631 770

• Длина волны = 299 792 458 / 9 192 631 770 м

• Энергия фотона = 6,091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻²⁴ Дж

• Эквивалент массы фотона = 6.091 102 297 113 866 55 × 10 ⁻⁴⁰ / 8,987 551 787 368 1764 кг

Если семь основных единиц СИ явно выражены через определяющие константы СИ, то они будут следующими:

• 1 секунда = 9 192 631 770 / Δ ν _Cs

• 1 метр = 9 192 631 770 / 299 792 458 с / Δ ν _Cs

• 1 килограмм = 8.987 551 787 368 1764 × 10 ⁴⁰ / 6.091 102 297 113 866 55 h Δ ν _Cs / c ²

• 1 ампер = 10 ⁹ / 1.472 821 982 686 006 218 e Δ ν _Cs

• 1 Кельвин = 13,806 49 / 6,091 102 297 113 866 55 h Δ ν _Cs / k

• 1 моль = 6,022 140 76 × 10 ²³ элементарные сущности

• 1 кандела = 10 ¹¹ / 3.824 339 691 519 516 481 631 301 046 05 h Δ ν _Cs ² К. _CD / ср.

В конечном счете, 6 из 7 основных единиц имеют значения, которые зависят от значения Δ ν _Cs , которое встречается гораздо чаще, чем любая из других определяющих констант.

См. также

• Рубидий стандартный

Ссылки

• В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).