الساعة الذرية هي ساعة دقيقة، تعتمد في تشغيلها على مذبذب كهربائي تنظمه ترددات الاهتزاز الطبيعي لنظام ذري، مع وجود خطأ يبلغ ثانية واحدة فقط في ما يصل إلى 100 مليون سنة، تعد الساعات الذرية من بين أجهزة ضبط الوقت الأكثر دقة في التاريخ.
ما هي الساعة الذرية
- تُعرف الساعة الذرية، بأنها الساعة التي تقوم على التفاعل بين آلية ضبط الوقت الإشعاع الكهرومغناطيسي، مع الحالات المثارة من بعض الذرات.
- على وجه التحديد، يتم استخدام إما الانتقال فائق الدقة في منطقة الموجات الصغرية، أو انتقال الإلكترون في المنطقة الضوئية أو فوق البنفسجية، لطيف انبعاث الذرة كمعيار تردد لعنصر حفظ الوقت.
- الساعات الذرية هي أدق معايير الوقت والتردد المعروفة، وتستخدم كمعايير أولية لخدمات توزيع الوقت الدولي، للتحكم في تردد موجة البث التلفزيوني، وفي أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية مثل GPS .
- يعتمد مبدأ تشغيل الساعة الذرية على الفيزياء الذرية : فهو يقيس الإشارة الكهرومغناطيسية، التي تصدرها الإلكترونات في الذرات عندما تغير مستويات الطاقة .
- استندت الساعات الذرية المبكرة على أدوات القياس في درجة حرارة الغرفة، ومنذ عام 2004، تعمل الساعات الذرية الأكثر دقة في البداية على تبريد الذرات، إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق عن طريق إبطائها، باستخدام الليزر وسبرها في نوافير ذرية في تجويف مملوء بالميكروويف.
اقرأ أيضا: فروع علم الفيزياء
ما الفرق بين الساعة الذرية والساعة العادية
- الساعة الذرية هي ساعة دقيقة تعتمد في تشغيلها على مذبذب كهربائي تنظمه ترددات الاهتزاز الطبيعي لنظام ذري.
- الساعات الذرية تحسب الوقت بشكل أدق من أي ساعة أخرى، حتى أنها تحافظ على الوقت بشكل أفضل من دوران الأرض وحركة النجوم.
- بدون الساعات الذرية، سيكون التنقل عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) مستحيلًا، ولن تتم مزامنة الإنترنت، ولن يُعرف موقع الكواكب بدقة كافية لإطلاق المجسات الفضائية ومركبات الهبوط ومراقبتها.
- الساعات الذرية ليست مشعة لأنها لا تعتمد على الاضمحلال الذري، ببساطة، لديهم بندول يتأرجح مثل الساعة العادية.
- الفرق الكبير بين الساعات الذرية والعادية، هو أن التذبذب في الساعات الذرية يقع بين نواة الذرة والإلكترونات المحيطة، هذا التذبذب ليس موازيًا تمامًا لعجلة التوازن ونابض الساعة، ولكن الحقيقة هي أن كلاهما يستخدم التذبذبات لتتبع مرور الوقت.
- يتم تحديد ترددات التذبذب داخل الذرة بواسطة كتلة النواة، والجاذبية، و “الزنبرك” الكهروستاتيكي بين الشحنة الموجبة على النواة وسحابة الإلكترون المحيطة بها.
متى تم اختراع الساعة الذرية
- بدأ اختراع الساعة الذرية في عام 1945، عندما اقترح أستاذ الفيزياء بجامعة كولومبيا، إيزيدور رابي، أنه يمكن صنع ساعة من تقنية طورها في ثلاثينيات القرن الماضي تسمى الرنين المغناطيسي للحزمة الذرية.
- بحلول عام 1949، أعلن المكتب الوطني للمعايير (NBS، عن أول ساعة ذرية في العالم تستخدم جزيء الأمونيا كمصدر للاهتزازات.
- بحلول عام 1952، أعلن المعهد عن إنشاء أول ساعة ذرية باستخدام ذرات السيزيوم كمصدر للاهتزاز، وسميت هذه الساعة NBS-1.
اقرأ أيضا: ما هي الفرميونات
أنواع الساعات الذرية
هناك أنواع مختلفة من الساعات الذرية، لكن جميعها تتبع المبدأ الأساسي، يرتبط الاختلاف الرئيسي بالعنصر المستخدم ووسيلة الكشف عن تغير مستوى الطاقة.
- النوع الأول من الساعات الذرية هو ساعة السيزيوم الذرية، بالنسبة لهذا النوع من الساعات الذرية، فإنها تستخدم حزمة من ذرات السيزيوم، تفصل الساعة ذرات السيزيوم بمستويات طاقة مختلفة بواسطة المجال المغناطيسي.
- النوع الثاني هو ساعة الهيدروجين الذرية، تحافظ هذه الساعة على ذرات الهيدروجين عند مستوى الطاقة المطلوب، في وعاء به جدران من مادة خاصة، حتى لا تفقد الذرات حالة طاقتها العالية بسرعة كبيرة.
- النوع الأخير هو الساعة الذرية للروبيديوم، إنها أبسط الساعات الذرية وأكثرها إحكاما، على وجه التحديد، يستخدم خلية زجاجية من غاز الروبيديوم، التي تغير امتصاصها للضوء عند تردد الروبيديوم البصري، عندما يكون تردد الميكروويف المحيط مناسبًا تمامًا.
تستخدم الساعات الذرية الأكثر دقة المتوفرة اليوم ذرة السيزيوم، والمجالات المغناطيسية العادية وأجهزة الكشف.
مبدأ عمل الساعات الذرية
في الساعات الذرية، تعمل التذبذبات الطبيعية للذرات مثل البندول في ساعة الجد، ومع ذلك، فإن الساعات الذرية أكثر دقة بكثير من الساعات التقليدية، لأن التذبذبات الذرية لها تردد أعلى بكثير وأكثر استقرارًا.
هناك العديد من الأنواع المختلفة للساعات الذرية، لكنها تشترك عمومًا في نفس مبدأ العمل الأساسي الموضح أدناه:
تسخين وتجميع وفرز
أولاً، يتم تسخين الذرات في فرن ودمجها في شعاع، كل ذرة لديها واحدة من حالتين ممكنتين للطاقة، يشار إليها على أنها مستويات فائقة الدقة، ولكن دعنا نسميها الحالة أ والحالة ب.
يزيل المجال المغناطيسي بعد ذلك جميع الذرات في الحالة B من الحزمة، لذلك تبقى الذرات في الحالة A فقط.
العد
يتم إرسال ذرات الحالة A من خلال رنان، حيث تتعرض لإشعاع الميكروويف، مما يؤدي إلى تغيير بعض الذرات إلى الحالة B.
خلف الرنان، تتم إزالة الذرات التي لا تزال في الحالة A بواسطة مجال مغناطيسي ثان، يقوم الكاشف بعد ذلك بحساب جميع الذرات التي تغيرت إلى الحالة B.
ضبط وقياس
تعتمد النسبة المئوية للذرات، التي تغير حالتها أثناء مرورها عبر الرنان على تردد إشعاع الميكروويف، وكلما زاد تزامنه مع تردد التذبذب المتأصل للذرات، زاد عدد الذرات التي تغير حالتها.
الهدف هو ضبط تردد الميكروويف تمامًا لتذبذب الذرا ، ثم قياسه. بعد 9192.631.770 ذبذبة بالضبط.
ما مدى دقة الساعات الذرية
- تختلف دقة الساعات الذرية وتتحسن باستمرار، مع وجود خطأ متوقع قدره ثانية واحدة فقط في حوالي 100 مليون سنة، تعد NIST-F1 في بولدر، كولورادو، واحدة من أكثر الساعات دقة في العالم.
- يطلق عليها ساعة نافورة السيزيوم، حيث يركز الليزر الذرات في سحابة، ثم يبردها، ثم يقذفها إلى الأعلى، تعمل هذه الطريقة على إبطاء الذرات، مما يسمح بفترة قياس أطول وتقريب أكثر دقة للتردد الطبيعي للذرات.
- تعتمد دقة الساعات الذرية على عاملين:
درجة حرارة ذرات العينة ،تتحرك الذرات الأكثر برودة بشكل أبطأ بكثير، مما يسمح بفحص أوقات أطول.
التردد وعرض الخط الجوهري، للانتقال الإلكتروني أو فائق الدقة، حيث تزيد الترددات العالية والخطوط الضيقة من الدقة.
تحتفظ وكالات المعايير الوطنية في العديد من البلدان، بشبكة من الساعات الذرية التي يتم مقارنتها بين بعضها البعض، ويتم الحفاظ عليها متزامنة بدقة تبلغ 10 إلى 9 ثوانٍ في اليوم، حيث تحدد هذه الساعات مجتمعة مقياسًا زمنيًا مستمرًا ومستقرًا، وهو التوقيت الذري الدولي (TAI).
المراجع
