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L’orologio atomico
Prof.ssa M.Tuzi
PLS-Misura del tempo
a.s. 2010-2011
PERCHÉ GLI OROLOGI ATOMICI?
1.
Elevata stabilità e accuratezza dell’ordine di
10-15 s.
Per avere un’idea concreta dell’accuratezza di un orologio associato ad
un campione delle ultime generazioni: ammesso che possa funzionare
così a lungo, il dispositivo impiegherebbe circa 30 milioni di anni per
accumulare uno scarto di un secondo.
2.
Indipendenza da parametri esterni.
Il loro funzionamento dipende idealmente solo dalle proprietà degli
atomi, in particolare dalla differenza tra due livelli energetici, e
hanno quindi scarsa sensibilità ai fattori ambientali.
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CRONOLOGIA DELL’OROLOGIO ATOMICO
1949 – H. Lyons presso il National
Bureau of Standards realizza il
primo tipo di orologio, usando il gas
di ammoniaca.
1951- Viene costruito il primo di
orologio atomico che utilizza il cesio,
detto NBS -1.
1955 - In Gran Bretagna presso il
National Physical Laboratory, L.
Essen e J.V.L. Parry realizzano e
collaudano l’oscillatore atomico a
fascio di cesio.
Intorno al 1960 compaiono in
commercio i primi orologi atomici al
fascio di cesio, questi si diffondono
rapidamente nei laboratori che
operano nel settore della metrologia
del tempo.
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DOPO LA STORICA REALIZZAZIONE SPERIMENTALE DI ESSEN E PARRY, SI SONO
SUCCEDUTI DIVERSI MODELLI, L’ULTIMA GENERAZIONE DI CAMPIONI AL
CESIO DA LABORATORIO È QUELLO DELLA FONTANA ATOMICA (1995).
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Campione a fascio di cesio Hewlett
Packard mod. 5071A
OLTRE AI CAMPIONI SPERIMENTALI DI LABORATORIO ESISTONO ANCHE
CAMPIONI COMMERCIALI. QUEST’ULTIMI HANNO DIMENSIONI RIDOTTE
RISPETTO AI PRIMI (CAVITÀ RISONANTE DI GRANDEZZA INFERIORE),
ACCURATEZZA MINORE, MA DISPONIBILITÀ MAGGIORE.
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LA ATTUALE DEFINIZIONE DEL SECONDO È STATA ADOTTATA DALLA
13MA CONFERENZA GENERALE SUI PESI E LE MISURE (CGPM)
DEL 1967
“il secondo è la durata di 9 192 631 770 periodi
della radiazione corrispondente alla transizione
tra due livelli iperfini dell’atomo di cesio -133”
Il Comite International des Poids et Mesures (CIPM) ha imposto nel
1997 a questa definizione la seguente specifica:
“ci si riferisce ad un atomo di cesio a riposo
ed alla temperatura termodinamica di 0 K”
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PERCHÉ IL CESIO?
1.
La qualità di una transizione atomica ai fini della
definizione di uno standard di frequenza è misurata dal
suo fattore di merito Q. Il cesio, tra i metalli alcalini
stabili, ha un’alta frequenza di transizione tra i livelli
iperfini dello stato fondamentale e un ottimo Q.
2.
Esiste un solo isotopo stabile del cesio, il cesio-133.
3.
Il cesio possiede il più basso punto di fusione e la più
alta pressione di vapore tra i metalli alcalini.
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QUALI SONO LE CARATTERISTICHE DEL
CESIO?
Il Cesio ha 55 protoni nel nucleo e 55 elettroni
intorno ad esso. Sono riempiti tutti gli stati
elettronici che fanno parte del gas nobile xenon
(54 elettroni) fino al livello 5p e poi c'è solo un
elettrone fuori da tale distribuzione.
Nel livello successivo di energia disponibile c’è
l'elettrone 6s, così la chimica del cesio è
determinato da quest’ultimo elettrone.
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LA STRUTTURA IPERFINE
Il nucleo del 133Cs ha un momento magnetico il cui campo
interagisce con gli elettroni; ne consegue che quello che si pensa
comunemente come stato fondamentale, in realtà non è un singolo
livello energetico, ma è separato in due sottolivelli. La spaziatura in
energia fra questi sottolivelli è molto piccola: circa 4·10-5eV. Per
questo motivo si parla di struttura iperfina. C'è un numero quantico
che classifica i livelli della struttura iperfina, solitamente indicato con
F: i due sottolivelli hanno F=3 (il più basso) e F=4 (il più alto).
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TRANSIZIONE TRA LIVELLI ENERGETICI
Alla transizione fra i due sottolivelli corrisponde un'emissione o un
assorbimento di fotoni della corrispondente energia. La frequenza
di questa radiazione (circa 9 GHz) è del tipo delle microonde: la
lunghezza d'onda è qualche centimetro.
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FUNZIONAMENTO DI UN OROLOGIO AL CESIO
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1. Col primo separatore si escludono dal fascio gli atomi con F=3,
lasciando solo quelli con F=4.
2. Il fascio attraversa una cavità che ha una frequenza di risonanza
corrispondente alla transizione fra i sottolivelli iperfini; se nella
cavità c'è un campo elettromagnetico a quella frequenza, esso induce
la transizione da 4 a 3. Il campo è generato da un oscillatore esterno,
mantenuto alla frequenza necessaria per la transizione. Dato che il
livello 4 è più alto, si tratterà di un'emissione stimolata.
3. All’uscita dalla cavità gli atomi rimasti nello stato 4 vengono
eliminati con un secondo separatore magnetico, e i restanti inviati a
un rivelatore, il quale dà un segnale proporzionale al numero di
atomi che riceve per unità di tempo.
4. Se la frequenza non è quella giusta per produrre le transizioni, gli
atomi in uscita sul livello 3 sono ridotti in numero o addirittura
scompaiono: il rivelatore se ne accorge e fornisce un segnale diverso.
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La variazione del
segnale viene usata
per creare un segnale
di correzione che
viene riportato
all'oscillatore.
Quindi, sebbene l'oscillatore non sia perfetto, esso resta “agganciato” alla
frequenza di transizione degli atomi (la frequenza corrispondente alla
distanza fra i due livelli iperfini :frequenza naturale eccitazione dell'atomo)
e viene mantenuto lì, perché quando si sposta automaticamente nasce un
segnale di correzione (servo-loop).
Il segnale che esce dall'oscillatore, così “agganciato” alla frequenza della
transizione atomica, viene mandato a un amplificatore. 9.192.631.770
oscillazioni (nel caso di Cs-133) rappresentano un secondo
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LA GRANDEZZA SIGNIFICATIVA È:
La frequenza di transizione tra livelli energetici.
Nella cavità vengono inviate microonde con
frequenze prossime alla frequenza naturale
dell’oscillatore
atomico:
fenomeno
della
risonanza.
Si produce una emissione stimolata.
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IL FATTORE DI MERITO Q
Il fattore di merito è un parametro adimensionale che confronta la
costante di tempo della fase decrescente dell'ampiezza di un sistema
fisico oscillante con il suo periodo di oscillazione.
In maniera equivalente confronta la frequenza alla quale un sistema
oscilla con il tasso di dissipazione di energia. Un Q più alto indica
un minor tasso di dissipazione di energia rispetto alla frequenza di
oscillazione, per cui le oscillazioni si smorzano più lentamente.
Per esempio, un pendolo di alta qualità, sospeso in aria, avrebbe un
alto Q, mentre un pendolo immerso in olio ne avrebbe uno basso.
Ampiezza
Frequenza di picco (fc nell'immagine) e
larghezza di banda (Bandwith): Δf =f2 - f1
Un'altra interpretazione del fattore di merito, è
data da:
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frequenza
PER L’OROLOGIO ATOMICO
Si definisce il rapporto
dove C è una costante dell’ordine dell’unità, T è il tempo da misurare, N è
il numero di atomi e M è il numero totale delle misure.
La stabilità dell’orologio è massima quando Δf/f0 è minimo.
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