איך פועל שעון אטומי?
7/02/2012

מבוסס על:


השעונים המדויקים ביותר בעולם (נכון להיום) הם שעונים אטומיים. מידת דיוקם של שעונים היא בערך  סטייה של שנייה אחת בכל שלושים מיליון שנים.

השעונים האטומיים המדויקים ביותר הקיימים כיום מבוססים על קירור של אטומים בעזרת לייזר לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט ( −273.15 מעלות צלזיוס).

בשנת 1967 הוחלט להגדיר את השנייה עפ“י אחת התדירויות הנפלטות בעת מעבר אלקטרונים בין רמות אנרגיה מסוימות של אטום הצזיום 133: הקרינה שנפלטת (או נבלעת) בצזיום 133 בעת מעבר אלקטרונים בין רמות אנרגיה מסוימות אלו היא בעלת תדר של 9,192,631,770 הרץ (1 הרץ=1 תנודות בשנייה). כלומר, שנייה אחת היא משך הזמן שעובר בעת שנמדדים 9,192,631,770 מחזורים של קרינה  נפלטת זו.

ישנם עקרונות שונים על פיהם פועלים שעונים אטומיים, אך אנו נתמקד כאן בעקרון לפיו פועל שעון הצזיום: בבסיס השעון האטומי ישנו חלל מתכתי סגור המסוגל לכלוא גלים בתחום המיקרו (תדר של 300 מגה הרץ עד 300 ג'יגה הרץ). בתוך החלל ישנו גז צזיום. לרוב, האטומים של הצזיום מקוררים בעזרת לייזרים כך שהם נמצאים ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר שלהם. נזכיר שלכל אטום ישנן רמות אנרגיה הקשורות למסלולים בהם יכולים להימצא האלקטרונים ששייכים לאטום. רמות האנרגיה הללו יכולות להתפצל למספר רמות אנרגיה קרובות מאד. אם הפוטונים המרכיבים את קרינת המיקרו הם בעלי אנרגיה השווה בדיוק לאנרגיה הדרושה לשם מעבר של אלקטרונים הנמצאים בגז הצזיום מרמת אנרגיה אחת לרמת אנרגיה גבוהה יותר, אזי אלקטרונים שיבלעו פוטונים אלו יעברו לרמת האנרגיה הגבוהה, וכאשר ירדו חזרה לרמת האנרגיה הנמוכה יותר הם יפלטו פוטונים באותה אנרגיה. תדר הפוטונים הנפלטים והנבלעים הוא ΔE) . f = ΔE/k   הוא הפרש האנרגיות, fהיא תדירות הקרינה ו - hהוא קבוע פלנק). נשים לב שהפרשי הרמות עליהם אנו מדברים כאן הם הפרשים נמוכים של אנרגיות הנובעים מפיצול רמות האנרגיה, ושקשורים בספין של האלקטרון. (ספין של אלקטרון הוא מדד לתנע הזוויתי הפנימי שלו, שאינו קשור לסיבוב סביב הגרעין). הפרשי אנרגיות נמוכים אלה מתאימים לאנרגיה הנמוכה אותה יכולים לספק הפוטונים בתחום המיקרו.

הבעיה היא שקשה לשמור על תדירות מדויקת של קרינת המיקרו המיוצרת, ולכן משדרים קרינת מיקרו בתחום תדרים מסוים סביב התדירות המדויקת, ומוצאים באיזה תדר נפלטת קרינה מקסימלית. שיטה זו מועילה גם לפתרון בעיות אחרות, כמו שינויי טמפרטורה או כניסתם של פוטונים בתדרים אחרים שנפלטים עקב מעברי אלקטרונים בין רמות אנרגיה שונות מזו הרצויה. לכן יש לעקוב אחרי מספר הפוטונים הנפלטים, ומספר זה מהווה מדד לעוצמת הקרינה הנפלטת. אם מספרם של הפוטונים הנפלטים קטן, יש לשנות את התדר. בדיקה זו צריכה להיעשות באופן רציף, כשהמטרה היא לשמור על כמות אחידה וגבוהה ביותר של פוטונים נפלטים.