"Weil so die zweite definiert ist" ist schön - aber das führt uns sofort zu der Frage "Warum wurde Cäsium zum Standard"?

Um zu beantworten, müssen wir uns das Prinzip ansehen einer Atomuhr: Sie betrachten die Frequenz des Hyperfeinübergangs - eine Aufteilung der Energieniveaus, die durch das Magnetfeld des Kerns verursacht wird. Damit dies funktioniert, benötigen Sie:

• ein Atom, das leicht verdampft werden kann (in Festkörpern bewirkt das Pauli-Ausschlussprinzip eine Linienverbreiterung)
• ein Atom mit einem Magnetfeld (z die Elektron-Feld-Wechselwirkung): ungerade Anzahl von Protonen / Neutronen
• ein Atom mit nur einem stabilen Isotop (Sie müssen es also nicht reinigen und erhalten nicht mehrere Linien)
• eine hohe Frequenz für den Übergang (genauere Messung in kürzerer Zeit)

Wenn Sie alle möglichen Kandidatenelemente gegen diese Tabelle stellen, stellen Sie fest, dass Cs-133 Ihr Top-Kandidat ist . Was es zum bevorzugten Element machte; dann der Standard; und jetzt so ziemlich die einzige, die verwendet wird.

Ich fand viele dieser Informationen unter http://www.thenakedscientists.com/forum/index.php?topic=12732.0

Die Wahl des Cäsiums hängt von verschiedenen Faktoren ab. Es ist erwähnenswert, dass Ihre Aussage "Moderne Atomuhren verwenden nur Cäsiumatome" einfach falsch ist. Zumindest sind Rubidium- und Wasserstoffuhren üblich, und Sie können Rubidium-Standards bei eBay für weit unter 200 US-Dollar erwerben. Die beste Leistung wird jedoch durch die Verwendung von Cäsium erzielt. Dies liegt zum Teil daran, dass es als Standard gewählt wurde, und als solches wird es als nützlicher angesehen, Entwicklungsaufwand für Verbesserungen des Standards aufzuwenden, als für eine Alternative.

Aber warum wurde Cäsium gewählt? Verschiedene Faktoren:

1. Bei angemessenen Temperaturen hat Cäsium einen hohen Dampfdruck, wodurch Resonanzeffekte relativ einfach zu beobachten sind.

2. Groß Hyperfeinübergang, wodurch ein besseres Q des resultierenden Resonators erzeugt wird.

3. Im Gegensatz zu Rubidium hat Cäsium nur ein stabiles Isotop, so dass es viel einfacher ist, ein wirklich reines Gas zu erhalten. Keine Isotopentrennung erforderlich.

ol>

BEARBEITEN - PlasmaHH hat auf die überlegene Frequenzstabilität von Wasserstoff gegenüber Cäsium hingewiesen. Während dies zutrifft, zeigt Cäsium eine bessere intrinsische Genauigkeit (etwa 2 Größenordnungen) und keine Alterungseffekte, wenn Wasserstoff altert. Die Kombination macht Cäsium zu einem besseren Standard, da es keinen Standard gibt, gegen den geprüft werden kann, um Abweichungen zu kalibrieren. Eine Diskussion eines Herstellers finden Sie unter http://www.chronos.co.uk/files/pdfs/itsf/2007/workshop/ITSF_workshop_Prim_Ref_Clocks_Garvey_2007.pdf.

Wie von WhatRoughBeast erwähnt, bietet Cäsium gegenüber anderen Mikrowellenstandards mehrere Vorteile. Das wichtigste Merkmal ist das Vorhandensein eines atomaren Übergangs mit einer sehr kleinen Linienbreite. Dadurch kann die Energie dieses Übergangs sehr genau bestimmt werden (siehe das Unsicherheitsprinzip).

Cäsium ist jedoch nicht das einzige Atom mit einem engen Übergang. Zum Beispiel haben Yb + -Ionen einen Oktupolübergang, der nHz breit ist: Ein in diesen Zustand angeregtes Atom würde mehrere Jahre dauern, bevor es zerfällt. Dies würde im Prinzip eine sehr gute Bestimmung der Häufigkeit des Übergangs ermöglichen.

Warum verwenden Atomuhren nur Cäsium? Nun ...

Sie tun es nicht

Die moderne Sekunde wird in Bezug auf den Cs-Hyperfeinübergang definiert, so dass natürlich keine andere Uhr so ​​ sein kann genau als Cäsium, rein per Definition. Im Bereich der Atomuhren hat das Wort "genau" jedoch eine bestimmte Bedeutung.

In der Physik beziehen wir uns häufig auf Genauigkeit und Präzision. Die Genauigkeit von etwas gibt an, mit wie gut der Durchschnitt übereinstimmt der "richtige" Wert, während die Genauigkeit die Streuung der Ergebnisse angibt. Siehe das Bild unten.

Für Atomuhren sind die relevanten Größen Genauigkeit und Stabilität. Die Genauigkeit bezieht sich darauf, wie gut die Uhr die SI-Sekunde realisiert, und die Stabilität darauf, wie schnell sie dies tut. Die (In-) Stabilität einer Uhr tritt auf, weil alle Messungen ein statistisches Rauschen aufweisen: Erst nach vielen Messungen erhalten Sie die richtige Antwort, und die Stabilität gibt an, wie viele Messungen Sie durchführen müssen .

Sekundärdarstellungen der SI-Sekunde

Wenn die Sekunde also durch Cäsium definiert ist, warum habe ich dann gesagt, dass nicht alle Uhren sie verwenden?

Das Comite International des Poids et Mesures (CIPM) hat 2012 8 sekundäre Darstellungen der SI-Sekunde verabschiedet. 7 davon sind optische Uhren , die gegenüber einem Cäsiumbrunnen (bekannt als Mikrowellenstandard) viele Vorteile bieten.

Um zu wissen, wie gut eine Uhr ist, müssen Sie sie mit einer anderen Uhr vergleichen, sonst haben Sie keine Referenz! Die besten modernen Cäsiumbrunnen stimmen zu ungefähr $ \ frac {\ Delta \ nu} {\ nu} \ ungefähr 10 ^ {- 16} $ überein. Moderne optische Atomuhren wie Ytterbiumionenuhren oder Strontiumgitteruhren können Vereinbarungen aufweisen, die sich $ \ frac {\ Delta \ nu} {\ nu} \ ca. 10 ^ {- 18} $ nähern: das ist 100-mal besser! Darüber hinaus verbessern sich optische Uhren immer noch schnell. Es scheint, dass die besten optischen Uhren sehr bald die Mikrowellenuhren um viele Größenordnungen übertreffen werden. Weitere Informationen finden Sie in diesem Artikel in Nature.

Diese Uhren arbeiten mit Übergängen, die sichtbare Frequenzen verwenden, im Gegensatz zu Mikrowellenfrequenzen, die in Cs-Uhren verwendet werden. Während Cs immer noch die Definition der zweiten ist, bieten moderne optische Uhren eine weitaus bessere Leistung und werden voraussichtlich bald Cäsium als Standard ersetzen.

Die folgende Grafik zeigt die Leistung von Atomuhren im Zeitverlauf. Die roten Punkte stellen die Punkte dar, an denen optische Uhren eine bessere Leistung erzielen als Cäsiumuhren. Es ist wichtig zu beachten, dass Cäsiumbrunnen in den letzten 40 Jahren Verbesserungen um 5 Größenordnungen erfahren haben: keine leichte Aufgabe!

Da eine Sekunde definiert ist als (aus der SI-Broschüre):

die Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus entspricht vom Grundzustand des Cäsium -133-Atoms $ {} ^ {133} \ mathrm {Cs} $.

Daher wird jedes andere Atom verwendet irrelevant (auch wenn ein Korrekturzeitfaktor berechnet wird).

Wie andere Benutzer bereits gesagt haben, hat es ein stabiles Isotop, das ist also schön.

Es ist auch der SI-Standard. Wir definieren die zweite durch Cäsium. Im Einzelnen:

Die zweite ist die Dauer von 9 192 631 770 Strahlungsperioden, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen.

Wenn wir also ein anderes Atom verwenden würden, wäre es nicht so genau. Selbst wenn wir berechnen würden, wie viele Perioden einer anderen Substanz benötigt würden, um einer Sekunde zu entsprechen, selbst wenn sie nur um den Faktor 10-12 (12) abweichen würde, wäre sie immer noch nicht so genau wie das System, das wir verwenden verwenden heute.