Це́зієвий станда́рт () або це́зієвий етало́н частоти́ — первинний еталон частоти, в якому частота переходів між двома надтонкими основними станами атомів використовується для формування вихідної частоти. Перший цезієвий годинник створив британський вчений-фізик у 1955 році в Національній фізичній лабораторії та пропагувалась в усьому світі керівником департаменту служби часу з Військово-морської обсерваторії США.

Цезієві атомні годинники є одними з найточніших еталонів часу та частоти та служать основним еталоном для визначення секунди в Міжнародній системі одиниць (SI). За визначенням, випромінювання, яке утворюється внаслідок переходу між двома надтонкими основними станами цезію-133 (за відсутності зовнішніх впливів, таких як магнітне поле Землі), має частоту , тобто тривалість періодів випромінювання відповідає 1 секунді. Це значення обрали так, щоб цезієва секунда дорівнювала існуючій стандартній ефемеридній секунді, що ґрунтується на тривалості руху Землі по орбіті навколо СонцяЕфемеридна секунда визначалась як тропічного року (станом на 12 годину 0 січня 1900 року), встановленій на межі вимірювальних можливостей у 1960 році, коли її було ухвалено. Оскільки жодне інше вимірювання, що включає час, не було таким точним, ефект заміни еталона був меншим від експериментальної похибки усіх існуючих способів вимірювань.

Хоча секунда є єдиною основною одиницею SI, яка явно визначена в термінах цезієвого стандарту, більшість одиниць SI мають визначення, які згадують або секунду, або інші одиниці, визначені за допомогою секунди. Отже, кожна основна одиниця, крім моля, та кожна похідна одиниця SI, крім кулона, грея, зіверта, радіана та стерадіана, мають значення, які неявно, принаймні частково, визначаються властивостями випромінювання цезію-133. І з них усі, крім моля, кулона та безрозмірнісних радіана та стерадіана, неявно визначаються загальними властивостями електромагнітного випромінювання.

Технічні деталі Офіційне визначення секунди вперше дано BIPM на 13-й Генеральній конференції мір і ваг у 1967 році у такому формулюванні: «Секунда — це тривалість періодів випромінювання, що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133». На конференції BIPM 1997 року до попереднього визначення додали уточнення: «Це визначення стосується атома цезію, що перебуває у стані спокою за температури 0 К».

BIPM підтвердило це визначення на своїй 26-й конференції (2018) таким формулюванням "Секунда визначається шляхом прийняття фіксованого числового значення цезієвої частоти , незбуреної частоти переходу між двома рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133, яке дорівнює точно , вираженого в одиницях Гц, що відповідає с−1.

Зміст приведеного визначення такий. Атом цезію має основний електронний стан з конфігурацією [Xe] 6s1 і, отже, електронний терм атома 2S1/2. Це означає, що є один неспарений електрон, а сумарний електронний спін атома становить 1/2. Більше того, ядро цезію-133 має ядерний спін, що дорівнює 7/2. Одночасна наявність електронного спіна та ядерного спіна призводить, за допомогою механізму, який називається надтонкою взаємодією, до (малого) розщеплення всіх енергетичних рівнів на два підрівні. Один з підрівнів відповідає паралельності електронного та ядерного спіна (тобто спрямованості в одному напрямку), що призводить до загального спіна F, який дорівнює ; інший підрівень відповідає антипаралельному спіну електрона та ядра (тобто спрямованим у протилежні напрямки), що призводить до загального спіну . В атомі цезію так сталося, що найнижчий за енергією підрівень має , тоді як підрівень енергетично розташований трохи вище. Коли атом опромінюється електромагнітним випромінюванням, енергія якого відповідає різниці енергій між двома підрівнями, випромінювання поглинається, а атом збуджується, переходячи з підрівня на підрівень . Через деякий час атом зворотно випромінює та повертається до свого основного стану . З останнього визначення випливає, що розглянуте випромінювання має частоту рівно , яка відповідає довжині хвилі випромінювання приблизно 3,26 см і, отже, належить до мікрохвильового діапазону.

Слід звернути увагу, що поширеною плутаниною є перетворення кутової частоти () на частоту () або навпаки. У науковій літературі кутові частоти зазвичай подаються у с−1, але тут одиниці неявно означають радіани за секунду. Навпаки, одиницю Гц слід інтерпретувати як цикли за секунду. Формула перетворення: , що означає, що 1 Гц відповідає кутовій частоті приблизно 6,28 радіана за секунду (або 6,28 с−1, де радіани опущені для стислості за домовленістю).

Параметри та значення у секунді та інших одиницях SI Введемо позначення параметрів, що пов'язані з цезієвим стандартом: Швидкість: c Енергія/частота: h Часовий період: Частота: Довжина хвилі: Енергія фотона: Еквівалент маси фотона:

Час і частота Перший набір одиниць, визначених за допомогою цезієвого стандарту, стосовно часу запроваджено у 1967 році з ухваленням секунди як «тривалість 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133», це означало, що: 1 с = 9 192 631 770 1 Гц = 1/с = 1 Бк, = 1 ядерний розпад/с = ядерних розпадів/

З цезієвим стандартом також стало пов'язаним визначення похідних одиниць, що стосуються сили та енергії (див. нижче), а також ампера, визначення якого на той час посилалося на ньютон. До 1967 року одиниці часу та частоти в SI визначалися на основі тривалості тропічного року, а до 1960 року — тривалості середньої сонячної доби.

Довжина Перше визначення, яке використовувалося між 1889 і 1960 роками, було дане міжнародним еталоном метра, який виготовлено у вигляді лінійки з платино-іридієвого сплаву. Між 1960 і 1983 роками метр визначався довжиною хвилі іншої перехідної частоти, пов'язаної з ізотопами криптону-86: «Метр дорівнює довжині 1 650 763,73 довжин хвиль у вакуумі випромінювання, що відповідає переходу між рівнями 2p10 та 5d5 атома криптону-86». Випромінення мало набагато вищу частоту та коротшу довжину хвилі, ніж цезієвий стандарт, потрапляючи до видимого спектра.

У 1983 році метр був опосередковано визначений через цезієвий стандарт з формулюванням: «Метр — це довжина шляху, пройденого світлом у вакуумі протягом інтервалу часу 1/299 792 458 секунди». Це передбачало, що: 1 м = = c = 1 рад = 1 м/м = / = 1 (безрозмірнісна одиниця кута) 1 ср = 1 м2/м2 = 2/2 = 1 (безрозмірнісна одиниця тілесного кута)

Маса, енергія і сила Відповідно до перегляду SI 2019 року, електромагнітне випромінювання, загалом, було чітко визначене як таке, що має точні параметри: c = 299,792,458 м/с h = Дж с

Надтонке перехідне випромінювання цезію-133 було чітко визначене як таке, що має частоту: = 9 192 631 770 Hz.

Хоча вищезгадані значення c і вже очевидно були неявно присутні у визначеннях метра та секунди. Разом вони означають:

= c = м = h = 9,192,631,770 Гц × Дж с = Дж = = = кг

Примітно, що довжина хвилі має значення, досить просту для людського сприйняття, близько 3,26 сантиметра, а енергія фотона напрочуд близька до середньої молекулярної кінетичної енергії на ступінь вільності на кельвін. З цього випливає, що: 1 кг = 1 Дж = 1 Вт = 1 Дж/с = 1 Н = 1 Дж/м = / 1 Па = 1 Н/м2 = /3 1 Гр = 1 Дж/кг = / = 1 Зв = доза іонізуючого випромінювання еквівалент до 1 грея гамма-променів.

До перегляду, між 1889 і 2019 роками, сімейство метричних (а пізніше й SI) одиниць, що стосуються маси, сили та енергії, дещо сумнозвісно визначалося (IPK), певним об'єктом, що зберігався в штаб-квартирі Міжнародного бюро мір і ваг у Парижі, а це означало, що будь-яка зміна маси цього об'єкта призвела б до зміни величини кілограма та багатьох інших одиниць, значення яких на той час залежало від значення кілограма.

Температура З 1954 по 2019 рік температурні шкали SI визначалися за допомогою потрійної точки води та абсолютного нуля. У редакції 2019 року їх замінили на задане значення для сталої Больцмана, k = Дж/К, що означає: 1 К = Дж/2 на ступінь вільності = на ступінь вільності = на ступінь вільності Температура за шкалою Цельсія, °C, = температура в кельвінах − 273,15 =

Кількість речовини Моль є надзвичайно великою кількістю «елементарних сутностей» (напр. атомів, молекул, іонів тощо). З 1969 до 2019 року це число визначалось як добуток 0,012 × масове співвідношення між та атомом вуглецю 12. У редакції 2019 року це спростили, присвоївши числу Авогадро точне значення елементарних одиниць на моль, так що унікальним чином серед базових одиниць, моль зберіг свою незалежність від цезієвого стандарту: 1 моль = елементарних сутностей 1 кат = 1 моль/с = елементарних сутностей /

Електромагнітні одиниці До перегляду ампер визначався як сила струму, необхідна для створення зусилля між двома паралельними провідниками, розташованими на відстані 1 м один від одного, у 0,2 мкН на метр. У перегляді 2019 року це визначення замінили, надавши «елементарному заряду» — заряду електрона точного значення кулонів. Дещо недоречно, але кулон все ще вважається похідною одиницею, а ампер — базовою, а не навпаки. У будь-якому випадку, ця домовленість передбачала такі точні співвідношення між електромагнітними одиницями SI, елементарним зарядом та надтонким перехідним випромінюванням цезію-133: 1 Кл, = e 1 А = 1 Кл/с = e 1 В = 1 Дж/Кл = /e 1 Ф = 1 Кл/В = e2/ 1 Ом = 1 В/А = / e2 = h/e2 1 См = 1/Ω = e2/h 1 Вб = 1 В с = /e = h/e 1 Тл = 1 Вб/м2 = /e 2 = E/e c 1 Гн = Ом с = h /e2

Оптичні одиниці З 1967 до 1979 року оптичні одиниці SI, люмен, люкс та кандела, визначалися на основі світіння платини в точці її плавлення. Після 1979 року, кандела була визначена як сила світла від монохроматичного джерела видимого діапазону з частотою 540 ТГц (тобто цезієвого стандарту) та інтенсивністю випромінення KCD = ват на стерадіан. Це пов'язало визначення кандели зі стандартом цезію та, до 2019 року, з міжнародним прототипом кілограма. На відміну від одиниць, що стосуються маси, енергії, температури, кількості речовини та електромагнетизму, оптичні одиниці не були суттєво переосмислені у 2019 році, хоча на них опосередковано вплинуло, оскільки їхні значення залежать від значення вата, а отже, і кілограма.Частота, що використовується для визначення оптичних одиниць, характеризується такими параметрами: частота: 540 ТГц період: фс довжина хвилі: мкм енергія фотона: Гц × Дж с = Дж світлова віддача, KCD, = 683 лм/Вт світлова енергія фотона, , = Дж × 683 лм/Вт = лм с

Це означило наступне: 1 лм = 1 кд = 1 лм/ср = /sr 1 лк = 1 лм/м2 = /2

Підсумок Параметри перехідного надтонкого випромінювання цезію-133, виражені точно в одиницях SI, такі:: частота = 9,192,631,770 Гц період = с довжина хвилі = м енергія фотона = Дж еквівалентна маса фотона = кг

Якщо сім основних одиниць SI виразити явно через константи, що визначають SI, то вони будуть такими: 1 секунда = 1 метр = c/ 1 кілограм = h /c2 1 ампер = e 1 кельвін = h /k 1 моль = елементарних сутностей 1 кандела = h 2 K''CD/ср

Зрештою, 6 із 7 основних одиниць SI (усі, крім безрозмірнісного моля) мають значення, що залежать від , яке зустрічається набагато частіше, ніж будь-яка інша визначальна константа. Однак похідна одиниця один кулон, яка є ампер-секундою, є розмірнісною одиницею, визначеною виключно через елементарний заряд, і тому не залежить від .

Див. також

Атомний годинник

Примітки

Посилання