铯钟

的铯时钟是最准确的类型的时钟尚未开发。该设备利用转换铯的原子核的自旋状态之间产生频率这很普通,它采用了建立时间标准。

像电子一样,许多原子核自旋。这些原子核的自旋产生的一组小影响光谱,被称为超精细结构。(因为影响比较小,不过角动量原子核旋转的相同的大小的一个电子,其磁矩控制原子的能量水平,相对较小)。铯的核心原子有自旋量子数7/2。最低的总角动量能源州的铯原子是通过结合原子核的自旋角动量与单身价电子在原子。(只有价电子对角动量,因为所有其他电子的角动量总为零。另一个简化的特性是,基态零轨道动量,所以只有自旋角动量需要考虑)。当考虑核自旋,总数是多少角动量原子的特点是量子号码,通常用F铯是4或3。这些值来自于自旋值7/2核和1/2为电子。如果原子核和电子可视化为小旋转的陀螺,值F= 4 (7/2+1/2)对应于顶部旋转相同的意义上,和F= 3 (7/2−1/2)对应于自旋相反的感觉。的能量差ΔE美国的两个F价值观是一个精确的数量。如果电磁辐射的频率ν₀,在那里应用于一个铯原子系统,转换将发生在两个国家之间。一个仪器,可以检测转换的发生从而提供了一个非常精确的频率标准。这是铯钟的原理。

装置示意图见图8。一束铯原子从烤箱的温度大约100°C。原子通过一个非齐次磁铁,将原子的状态F= 4向下和状态F由等量向上= 3。原子通过狭缝和持续到第二个非齐次磁铁磁铁B是安排,以便它偏转原子在同一方向不变状态,磁铁偏转。原子按照路径图中虚线所示,输给了梁。然而,如果一个交替电磁场的频率ν₀应用到梁是吗遍历中心地区C,状态之间的转换。一些原子状态F= 4将会改变F= 3,反之亦然。这种原子的变位在磁铁B是相反的。原子遵循整个线路图和罢工钨丝,使电信号铯原子的数量成比例的。的频率ν交替场不同,信号有一个锋利的最大ν=ν₀。仪器的长度从烤箱钨探测器大约一米。

每个原子状态的特点是不仅量子数F还有另一个量子数米_F。为F= 4,米_F可以采取积分值4−4。在缺乏磁场,这些国家有相同的能量。然而,磁场导致一个小变化在能源领域的大小成正比的米_F价值。同样,一个磁场的能量变化F根据= 3状态米_F值,在这种情况下,可能会有所不同从3−3。所示的能量变化图9。铯钟,疲软的恒定磁场叠加在交变电磁场在区域c理论表明,交变磁场可以带来过渡只有对国家之间米_F值相同或不同的统一。然而,从图可以看出,唯一发生频率ν的转换₀那些是两国之间吗米_F= 0。设备非常敏感,它可以很容易区分这样的转换和所有其他人。

如果振荡器的频率漂移ν稍稍不平等₀时,探测器的输出就会下降。信号强度的变化产生一个信号的振荡器频率回到正确的值。这个反馈系统使振荡频率ν自动锁定₀。

铯钟极其稳定。振荡器的频率保持不变到十一部分¹³。由于这个原因,该设备用于重新定义第二个。这在SI基本单位时间系统被定义为等于9192631770周期对应的辐射过渡之间的水平F= 4,米_F= 0和F= 3,米_F= 0的基态铯- 133原子。1967年之前,第二个定义的运动地球的。然而,后者是不那么稳定的铯钟。具体地说,地球的自转周期的分数变化是数百倍铯钟的频率。

一个量子电压标准

量子理论已经被用于建立一个电压标准,这个标准已经被证明是非常准确和一致的实验室实验室。

如果两层超导材料由薄绝缘层,超电流(即。,一个当前的可以通过从一个成对电子)超导体到另一个。这是前面描述的隧穿过程的另一个例子。几个影响基于这种现象预测在1962年由英国物理学家布莱恩·d·约瑟夫森。演示实验不久,他们现在被称为约瑟夫森效应。

如果一个直流电压(直流)V应用在两个超导体的能量电子对变化的数量2eV因为它穿过结。因此,超电流震荡与频率ν由普朗克的关系(E=hν)。因此,

这种超电流振荡行为被称为交流约瑟夫逊效应(交流)。测量V和ν许可普朗克的直接验证关系。虽然振荡超电流直接检测到,它极其微弱。更敏感的方法研究方程(19)是研究结果的交互影响微波辐射超电流。

几个认真进行实验验证方程(19)这样一个高度精密的值,它被用来确定2e/h。这价值事实上可以确定更精确的交流约瑟夫逊效应比任何其他方法。结果是可靠的,现在实验室采用交流约瑟夫逊效应设定电压标准。之间的数值关系Vν是

通过这种方式,测量频率,可以用伟大的精度,给出了电压的值。约瑟夫森法之前,电压标准在计量实验室致力于维护物理单位是基于高稳定性韦斯顿镉电池。这些细胞,然而,往往漂移,因此标准在不同实验室之间的矛盾造成的。约瑟夫森效应的方法提供了一个标准让协议在10几部分⁸的测量在不同的时间和不同的实验室。

前两个部分中所描述的实验只是两个例子的高精度测量物理。基本常数的值,例如c,h,e,米_e,决心从各种各样的实验依据量子现象。结果非常一致,常量的值被认为是已知的在大多数情况下比在10一部分⁸。物理学家可能不知道他们在做什么当他们测量,但他们做的非常好。