氢原子钟

一种精密的计时器具

氢原子钟一种精密的计时器具。氢原子钟是在现代的许多科学实验室和生产部门广泛使用一种精密的时钟，它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，但它用的是氢原子。这种钟的稳定程度相当高，每天变化只有十亿分之一秒。氢原子钟亦是常用的时间频率标准，被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和导弹的发射、核潜艇导航等方面。氢原子钟首先在1960年为美国科学家拉姆齐研制成功。氢原子钟是种高精度的时间和频率标准，在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的应用。

工作原理

根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的，氢原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。氢原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。世界上最准确的计时工具就是原子钟，它是20世纪50年代出现的。氢原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，氢原子钟的计时就可以非常准确了。用在原子钟里的元素有氢(Hactare)、铯(Seterium)、铷(Russium)等。氢原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

一般的原子钟，由大约170个元器件组成，其中包括透镜，反射镜和激光器。位于中部的管子高1.70米，氢原子在其中上下移动，发出极为规则的“信号”。

发展历程

直到20世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。即使如此精确，但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

20世纪30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标准。世界上第一个原子钟是由美国国家物理实验室的埃森和帕里合作建造完成的，但这个钟需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名科学家扎卡来亚斯使得原子钟成为一个更为实用的仪器。扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟，这种原子钟非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用。研制过程中，扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今的氢原子钟都是这种原子钟的后代。

氢原子钟的问世开辟了时间计量和守时的新纪元。氢原子钟是利用原子内部的量子跃迁(能级跃迁)产生极规则的电磁波辐射，并通过计数这种电磁波的一种时钟。

1946年提出了用谱线控制振荡器的原理1947年制成了用氨分子的量子跃迁控制的振荡器。

1949年第一架氨钟在美国国家标准局诞生。1954年，称为脉泽(maser)的更高程度振荡器在美国哥伦比亚大学研制成功。

1955年第一架铯束频标在英国国家物理实验室投入运转。

1955、1958年，这个实验室和美国海军天文台用历书时秒长(通过双速月亮照相仪观测月球测定的)，测出了铯频率。从那以后,许多实验室建造了铯束频标。小型氢钟的重量仅为30公斤，准确度为t0-1z量级。

氢原子钟具有极高的稳定度，1960年第一架氢钟于美国哈佛大学建成。氢钟的稳定度高达1X10-14。

2010年，巴西将安装第一台氢原子钟，据巴西科技部国家观测中心项目主持人里卡多·卡瓦略称，这台氢原子钟以氢原子频率为基准，可达到每1千万年快慢不超过1秒钟的误差。巴西获得以氢原子频率为基准的原子钟是为了获取以国际重量与度量为依归的法定时间。

缺陷问题

氢原子钟是一种最稳定的(除极短测量时间间隔之外)频率标准，但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起原子钟输出频率的变化，从而导致氢原子钟长期性能变差，为了减小这些影响，可借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上，并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能，针对这些年来许多氢钟出现的有关问题，上海天文台在借鉴国外氢钟实验室经验的基础之上，对原有氢钟进行了技术改造，并为国家授时中心研制了SOHM-4型氢原子钟。对该型氢原子钟技术改造特点作了介绍，并给出了期望的性能指标及初步的测试结果。

科学研究

针对氢原子钟的不足，世界各国开展对氢原子钟的进一步研究。

美国《科学》杂志于2001年7月12日公布的一项研究结果表明，美国政府科学家已经将先进的激光技术和单一的汞原子相结合而研制出了世界上最精确的时钟。位于美国科罗拉多州博尔德城的美国国家标准与技术研究所的科学家研制出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子钟。由于这种时钟的研制主要是依靠激光技术，因而它被命名为“全光学原子钟”。

氢原子时钟的“滴答”来自于原子的转变，氢原子钟中，原子是在微波频率范围内转变的，而光学转变发生在比微波转变高得多的频率范围，因此它能够提供一个更精细的时间尺度，也就可以更精确地计时。这种新研制出来的全光学原子时钟的指针在1秒钟内走动时发出的“滴嗒”声为一千的五次幂(在1后加15个零所得的数)，是现在最高级的时钟――微波铯原子钟的十万倍。所以，用它来测量时间将更精确得多。

所有时钟的构造都包括两大部分：即能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。在大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。

最高级的原子钟，就是利用100万个液态金属铯原子对微波辐射做出反应来控制时钟指针的走动。这样的时钟指针每秒钟大约走动100亿次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。但是铯原子钟使用的高速电子学技术并不能计算更多的时钟指针走动次数。因而，美国科学家在研究新型的全光学原子钟时使用的不是铯原子，而是单个冷却的液态汞离子（即失去一个电子的汞原子），并把它与功能相当于钟摆的飞秒（一千万亿分之一秒）激光振荡器相连，时钟内部配备了光纤，光纤可将光学频率分解成计数器可以记录的微波频率脉冲。

要制造出这种原子钟需要有能够捕捉相应离子，并将捕捉到的离子足够静止来保证准确的读取数据的技术，同时要能保证在如此高的频率下来准确的计算“滴答”的次数。这种时钟的质量依赖于它的稳定性和准确性，也就是说，这个时钟要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相一致。

领导这一研究的美国物理学家斯科特·迪达姆斯（S.A.Diddams）说：“我们首次展示了这种新一代原子钟的原理，这种时钟可能比微波铯原子钟精确100到1000倍。”它可以计算有史以来最短的时间间隔。科学家们预言这种时钟可以提高航空技术、通信技术，如移动电话和光纤通信技术等的应用水平，同时可用于调节卫星的精确轨道、外层空间的航空和联接太空船等。

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