什么是原子秒 atomic senor？

原子秒 atomic senor是目前国际单位制中时间的基本单位，1967年第十三届国际计量大会通过采用。定义为：“秒是绝一133原子在其基态的两个超精细级间跃福射9192631770个周期所持续的时间。

原子秒是由原子振荡周期，即原子跃迁时发射或吸收电磁波的周期导出的时间基本单位。 这种振荡周期的稳定性有多高，目前理论上还无法证明。 但复现的结果与定义值的偏差却能做到很小，到 1995 年已达到了10-14量级。

对于此定义要着重理解；为什么选用基态的超精细能级，为什么选铯-133（铯的同位素），又为什么选取这样一个难记的整数。

一、理论关系

在原子内部，电子绕着原子核旋转具有动能， 电子与原子核之间的静电作用又具有静电势能，电子与电子之间也具有静电势能⋯⋯这些能量的总合称为原子的总内能量，简称原子的能量。原子能量的数值决定于原子中各电子的运动姿态。每种运动状态对应着一定的总能量。

量子理论认为： 原子中电子的运动状态不能是任意的， 每种原子只能有若干个特定的运动状态， 由此，每种原子的能量只能取若干个特定的值。 这些可能的能量值称为能级。

某种原子的能级是指这种原子可能具有的能量。对于一个原子而言，在某一时刻只能处在其中某一种运动状态， 或者说只能处在某一个能级上。 最低的能级，即原子具有最小能量时的运动状态称为基态， 其他能级称为激发态。

绝大多数原子都处于基态上，激发态愈高，原子数愈少。

原子在一定的外界条件刺激下， 可以从一个能级跳到另一个能级， 即从一种运动状态改变到另一种运动状态。 这种过程称为原子的跃迁。 如果外界刺激是电磁波（光也属于电磁波） 时，则发生的跃迁称为辐射跃迁。 原子秒的定义以及各种原子频标所用的都是辐射跃迁。

当原子从低能级跃迁到高能级时要从外界吸收一部分能量， 反之就放出一部分能量。但跃迁是有条件的， 只有当外界激励信号的频率满足下列条件时， 跃迁才能发生：

hv -= E2-E1（1-1）

式中 h为普朗克常数；

v为激励信号的频率；

E1、E2为跃迁的两个能级值。

换句话说，当原子跃迁时， 无论是从外界电磁波吸收能量， 还是以电磁波形式放出能量，这些电磁波的频率必须满足上式关系。从式中看出， h 为常数。理论证明原子的能级是非常稳定的， 因而所对应的电磁波的频率， 或者其到数一周期也是非常稳定的，由此引发人们利用这种振荡的周期建立时间基本单位。

二、实际要求

理论上，任何一种元素的原子在任何两个能级间跃迁时， 所放出或吸收的电 磁波的频率都遵循式（1-1），即都是非常稳定的，都可用于定义原子秒。但在复 现上会受到现有技术条件及科学水平的限制。

从实际复现角度应考虑；

（1）所选的元素其原子的能级应尽可能简单。式（ 1-1）中的 E1、E2 是计算 得到的，原子能级愈简单，计算的准确度愈高。

（2）所选的发生跃迁的两个能级之差应尽可能小。 差值愈小，对应频率愈低， 技术上愈容易实现。

（3）所选用的跃迁能级上的原子应尽可能多，以便得到较强的跃迁信号。 从第（1）点要求看，氢元素的原子结构最简单，只有一个电子。其次是碱 金属元素，即锂钠钾铷铯等， 也只有一个价电子。 这些元素的原子的能级都易于准确计算。但在实际研究中发现铯原子跃迁时， 各种因素的影响较小， 且可准确测定其影响量，故最后决定用铯原子跃迁时辐射的周期定义秒。

铯—133是天然 存在的易得到的很纯的同位素。 考虑第（2）点的要求，当原子在基态和激发态之间或在两个激发态之间跃迁时，所对应的频率都非常高，都在光频范围，从技术上难于准确控制。只有在 两个超精细能级间跃迁时，对应的频率才落在技术上已很成熟的无线电微波范围 内。此外，从第（ 3）点要求，在正常情况下，大量的原子都处在基态上。故在原子秒的定义时选用了基态上的两个超精细能级。 前边分析的原子的能级只是粗略的一级近似。 即只考虑电子与原子核间的静 电势能（电子的动能与此相比其值很小） 。实际上电子在绕核转动时相当一闭环电流，因而会产生磁场，此外电子除绕核公转外，本身还在自转（自旋），自转 的方向又有两种，这种自转也会产生磁场。 公转磁场与自转磁场之间发生相互作 用，使电子在静电势能上又叠加上了一部分磁能。 这样原来一级近似的能级就会 分成两条新的能级， 称为原子的精细能级，由于磁能很小，故精细能级之差比原 来的能级差要小3个数量级。 再进一步深入研究， 发现正电荷在原子核内的分布不能看作为一个点，故产生的电场不能简单的用点电荷电场处理，与电子相互作用的静电势能也发生了变化。此外，原子核本身也在自旋，也会产生磁场，这个磁场与电子运动的磁场相互作用的结果，使磁能也发生了变化。考虑了这两种作用后，原子的精细能级又会分成超精细能级，后者能级差又比前者能级差小3个数量级。

三、秒定义的的连续性

原子秒以其高度的稳定性取代了天文秒 但不能完全摆脱天文秒，对于一个物理量进行重新定义时，必须考虑量值的延续性。否则已经建立的或习惯的一些关系就会打乱。

在测定绝原子跃迁频率时，只能用当时使用的历书秒。 测定结果是（9192631770±20）Hz。这个数值含意是每次测量的值都不同，其变化是在20Hz 以内。如果历书秒是绝对稳定的，则这种变化会看作是原子跃迁频率的不稳定。实际上后者是非常稳定的，这种测量结果的变化是在±20Hz范围内，正是历书秒不稳造成的。如果取原子跃迁辐射的 919263170个周期作为新的秒，则与原来的历书秒的差异只是在历书秒的不稳定部分。这就满足了定义值的延续性要求。

第四节 原子秒的复现

原子基态的超精细能级间的跃迁主要是受激跃迁，即需要在外界信号的激励下，低能级的原子会吸收一部分能量跳到高能级，高能级的原子会放出一部分能量跳到低能级。

从前边的理论关系式可以得出：如果两个能级E1和E2的值是惟一的确定值，则跃迁曲线应是一条直线。实际上，无论那条能级都不是惟一的一个确定值，在能级图上并不是绝对的一条直线，而是有一定的宽度，这种加宽的原因一是能级固有的， 另一是实现跃迁时各种外界因素的影响。而式 1-1 的关系是完全不变的，于是就产生了图中所示的跃迁曲线，不同的能级差对 应不同的跃迁频率。

原子跃迁曲线类似于普通振荡电路的谐振曲线， 故发生原子跃的部分可简称 为原子谐振器。 由于是受激跃迁，秒定义的复现装置由两大部分组成，一是原子谐振器，另一是激励信号发生器。在跃迁曲线上只是中心频率是准确已知的，即ν 0=9192631770Hz，必须加上控制部分调节激励信号的频率，使跃迁始终发生在中心频率对应的能级上。

原子秒定义的复现是通过复现原子跃迁频率得到的， 故这种复现装置通常称 为时间频率基准器，简称为铯原子钟。目前时频基准器有两种：一是经典的， 原 子谐振器水平放置；另一种是新型的，原子谐振器垂直放置。

经典的秒定义复现器—磁选态铯原子钟

图中大方框部分为原子谐振器，置于高度真空的园筒内，水平放置。铯炉内装有粉末状铯元素， 在高温下变成气体喷出通过选态磁铁， 欲发生跃迁的两种能态（ E1 和 E2）上的原子在强磁场力的作用下向不同方向偏转，假设只有 E2 态上的原子能穿过谐振腔，在微波激励信号的作用下发生跃迁，变成 E1态。通过同样的磁铁，称为检测磁铁， 受到磁场力的作用向另一方向偏转，在偏转的路径上放一离化丝， 在已跃迁的原子的冲击下产生离化电流， 经过质谱计和电子倍增器放大形成足够强的电流，称为跃迁信号。

激励信号是由压控晶振的频率，一般为5MHz，综合得到。激励信号的频率(晶振的频率 )发生变化时，跃迁信号的强度也随之变化，只有当激励信号频率νP等于所选跃迁能级对应的跃迁频率即ν0时，跃迁信号最大 ,此时晶振频率为准确的5MHz。何服系统的作用就是控制晶振的频率，使跃迁信号最大。

由跃迁曲线上看，当激励信号的频率偏离中心频率时， 无论是增加还是减小，都使跃迁信号减小， 而何服系统必须给出方向相反的控制信号。 解决办法是在激励信号上加一低频率调制信号，较详细的原理如图所示。

铯原子伺服系统

当激励信号频率等于跃迁曲线上的中心频率时，在跃迁信号上只检测到调制信号的二次谐波，不产生对压控晶振的控制信号，当激励信号频率偏离中心频率时，在跃迁信号上会检测出调制信号的基波，偏离方向不同，基波的相位相反，检相后就产生极性相反的控制电压，向不同方向调整晶振的频率，保证激励信号的频率始终维持在中心频率上。