淺談原子能級躍遷在原子鐘的應(yīng)用

薛辰昇

（福建省廈門市松柏中學(xué)，福建 廈門 361026）

1 原子物理基礎(chǔ)

1.1 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識

德國物理學(xué)家、量子力學(xué)的重要創(chuàng)始人之一普朗克在研究黑體輻射時，將輻射的能量劃分成一份份，這樣一份份的能量即為“量子”。 電磁波量子能量表示為E=hv 其中h 為一個很小的常量， 稱為普朗克常數(shù)， 約為6.626*10-34，v 為 頻 率。 1905 年，愛 因 斯 坦 提 出 光 量 子 假設(shè)，由此成功的解釋了光電效應(yīng)，進(jìn)一步證明了量子論的正確性。根據(jù)光電效應(yīng)，光照射到金屬上，當(dāng)入射光的頻率高達(dá)一定值才能從金屬表面打出自由電子。

1.2 能級躍遷

受普朗克能量量子化的啟發(fā)，丹麥物理學(xué)家玻爾在研究原子核外電子時，提出電子軌道的量子化。 區(qū)別于經(jīng)典物理學(xué)的原子核外電子軌道概念，玻爾理論的電子軌道只能在特定的幾個離散軌道上，稱為能級。 電子在吸收或釋放特定頻率的光子的情況下能夠在各個能級之間跳躍，稱為原子能級躍遷[1]。 該理論成功地解釋了氫原子的光譜，反應(yīng)了電子能量的量子化。

然而， 玻爾的軌道理論包含半經(jīng)典半量子論的特點， 其 “軌道” 的概念并不能真正反應(yīng)量子世界的實質(zhì)， 因此軌道理論不能解釋其他非氫原子的行為，取而代之的是奧地利物理學(xué)家薛定諤提出的量子力學(xué)中的一個基本方程-“薛定諤方程”， 該方程可描述微觀粒子的運動。

2 原子鐘中的能級躍遷

由于科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)原子的特征頻率是不會受到外界環(huán)境的任何影響， 也就是說特征頻率一定是精確的， 固定的。 所以科學(xué)家認(rèn)為可以使用某種原子的特征頻率來對時間進(jìn)行定義， 這就是原子鐘的起源。 由于個別原子， 如銫原子具有兩種很穩(wěn)定的常見的能級，因此科學(xué)家們開始了銫原子鐘的研制。

2.1 基本原理與能級躍遷

迄今為止，典型的原子鐘種類為氫原子鐘、銫原子鐘、銣原子鐘。 此外還有離子微波鐘、CPT 鐘等新型原子鐘[2]。盡管原子鐘的種類與日俱增，但其基本的原理均為原子能級的躍遷。 以銫原子鐘為例， 其基本示意圖如圖1 所示。

銫原子被加熱為氣體團(tuán)，如圖1 中藍(lán)色小球，在其正交空間的六個方向上有六個激光頭， 六束激光照射銫原子， 使之冷卻至接近絕對零度， 這樣做的目的是使銫原子的動能降為最小， 即靜止?fàn)顟B(tài)。 隨后所有的激光關(guān)閉， 只剩下地下的激光頭， 使冷卻的銫原子氣體團(tuán)上升約1m，其間穿過微波諧振腔。 腔體的兩端均有磁場。 正常情況下銫原子的大量存在著兩種穩(wěn)定能級，一種為高的能級，表示為F,mF(4,0)，另一種為低能級，表示為F,mF(3,0)。

圖1 銫原子鐘基本示意圖

如圖2 所示的銫原子鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 銫原子源位于圖2 中最左側(cè)， 銫原子從左往右穿過黃色的微波諧振腔， 諧振腔的兩端有磁場裝置， 上述兩種能級狀態(tài)的原子利用諧振腔兩端的磁場就可以輕易的分離這兩種狀態(tài)的銫原子。 在穿過諧振腔左端磁場時舍棄高能原子， 原子團(tuán)在穿過微波諧振腔時由于微波的頻率波段包含銫原子的特征頻率（9,192,631,770Hz）而使部分的銫原子發(fā)生能級躍遷， 從低能躍遷到高能狀態(tài)。 之后銫原子在諧振腔的右端時穿過右端磁場， 這次磁場的作用是舍棄低能原子， 并讓高能原子引向探測器 （位于圖2 中最右側(cè)）， 在圖2 右下方還有一個激光探測器， 該激光與高能銫原子發(fā)生反應(yīng)， 并在探測器上產(chǎn)生電荷， 通過電荷即可知道銫高能原子的數(shù)量， 探測器、諧振腔、石英晶體、相關(guān)電路設(shè)備與之構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)負(fù)反饋[3]。 通過負(fù)反饋使諧振腔中的微波頻率不斷接近直至完全到達(dá)銫原子的特征頻率， 通過控制微波系統(tǒng)的電路設(shè)備即可精確的反應(yīng)出“一秒”的時間。

圖2 銫原子鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由此我們知道原子鐘說到底就是利用原子中電子軌道做的原子單擺， 即原子鐘是以原子共振頻率作為標(biāo)準(zhǔn)時間頻率信號的產(chǎn)生裝置[4]。

2.2 原子鐘的精度與優(yōu)勢

目前，原子鐘是世界上最準(zhǔn)確的計時方式。2010 年2 月， 由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局研制的鋁離子光鐘已達(dá)到37億年誤差不超過1 秒的驚人水平， 成為世界上最準(zhǔn)的原子鐘。 近年來，我們國家的時間工作取得重大進(jìn)展。由中國科學(xué)院國家授時中心所產(chǎn)生和保持的我國標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（NTSC）與國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC 之差逐年改進(jìn)，目前已經(jīng)小于±10ns，即UTC－UTC（NTSC）<10ns，為國際先進(jìn)水平[5]。

3 原子鐘的應(yīng)用

時間頻率基準(zhǔn)的精度（原子鐘的精度）是反映一個國家戰(zhàn)略競爭力的重要標(biāo)志之一。高精度時間頻率標(biāo)準(zhǔn)在全球定位系統(tǒng)、精確打擊武器、信息高速公路等方面起著關(guān)鍵的作用。 目前，時間標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航、大地測量、高速數(shù)字通信、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域。高精度的原子鐘為國防，軍事，乃至國際安全提供了高精度的時間保障。

3.1 秒的定義

世界時為第一個國際統(tǒng)一的時間尺度， 世界時（Universal Time，簡稱UT）使用地球自轉(zhuǎn)周期，以日為基礎(chǔ)， 分出秒的單位。 而世界時的時間就是著名的格林尼治天文臺中間的本初子午線的時間。 世界時是不均勻的， 為了減少極軸對于時間的影響， 人們將世界時進(jìn)行修正，產(chǎn)生了UT1；接著，對四季的變化進(jìn)行修正，產(chǎn)生了UT2。

然而由于地球越轉(zhuǎn)越慢， 為了消除世界時的累積誤差， 又產(chǎn)生了歷書時。 歷書時采用的是地球的公轉(zhuǎn)周期，然而其精度非常低，只有10^(-9)s。 人們開始探索更為精確的計時方式。 原子時是以精確的秒的定義為基礎(chǔ)的時間。在1967 年的第十三屆世界度量衡會議上，決定采用原子時。 直到目前，秒的定義[6]為，銫原子輻射頻率的9192631770 個周期持續(xù)的時間為1 秒。

但是，使用原子時也是有問題的：如果完全使用原子時， 由于地球自轉(zhuǎn)變慢， 按照現(xiàn)在的速度，5000 年差一個小時！三萬年后，午夜零時太陽就升起來。為了解決這個問題，科學(xué)家們又發(fā)明了協(xié)調(diào)世界時。 協(xié)調(diào)世界時（Coordinated Universal Time），又稱世界統(tǒng)一時間、世界標(biāo)準(zhǔn)時間、國際協(xié)調(diào)時間，簡稱UTC。協(xié)調(diào)世界時是以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種時間計量系統(tǒng)。 不過隨著地球自轉(zhuǎn)的變慢，當(dāng)世界時和原子時之差會逐漸積累。 相差0.9 秒的時候，協(xié)調(diào)世界時就會選擇加一秒或者減一秒。 一般放在6 月30 號或者12月31 號的最后一分鐘的最后一秒，稱為閏秒。

3.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

原子鐘除了用于世界上最準(zhǔn)確的計時工具，還廣泛用于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 根據(jù)廣義相對論，引力強(qiáng)的地方時間就慢，加之衛(wèi)星的高速運動誤差，因此GPS、北斗系統(tǒng)等衛(wèi)星均裝有精確的原子鐘。 一般而言，定位地球上一個人的位置同時需要四個或以上的衛(wèi)星，空間的三維需要三顆導(dǎo)航衛(wèi)星， 第四顆衛(wèi)星則用于修正時間誤差。 導(dǎo)航星和測控站均裝備高性能原子鐘作為控制核心。 此外原子鐘對大氣傳播、精密地球物理和基本物理(a，引力紅移)研究水平具有推動作用[7]。

3.3 量子模擬器

據(jù)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)絡(luò)版近日報道，世界上最精準(zhǔn)的計時器原子鐘又添了一個新功能： 科學(xué)家可將它用作量子模擬器， 來研究磁體內(nèi)部電子的量子行為，以更深入地了解量子世界的奧秘。 參考我國出版的科普雜志：《科學(xué)世界》，2015 年第7 期[8]。

物理學(xué)中有許多難以解答的問題， 原因在于它們的行為受錯綜復(fù)雜的量子力學(xué)支配， 比如電子之間的量子相互作用產(chǎn)生的磁性， 就很難進(jìn)行計算機(jī)模擬。美國天體物理學(xué)家安娜·瑪麗亞·雷伊和她的研究團(tuán)隊， 在實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了一種可以在高出幾個量級的溫度條件下模擬量子行為的方法——利用原子鐘。 這對于原子鐘也是好消息， 了解原子如何相互作用，有助于打造更加準(zhǔn)確的計時器。

4 結(jié)束語

原子鐘的性能在不斷提升， 種類和應(yīng)用發(fā)生了很大變化， 但其基本的原理仍是利用原子的能級躍遷理論。 我國的計時工作由國家授時中心（NTSC）負(fù)責(zé)，協(xié)調(diào)世界時UTC(NTSC)和地方原子時TA(NTSC)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度水平穩(wěn)步提高, 進(jìn)入了國際先進(jìn)水平的行列[8]。 原子鐘(原子時間頻率標(biāo)準(zhǔn))是人類科學(xué)技術(shù)活動的基本條件， 原子鐘的精度不僅僅影響著世界計時， 以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)， 也將從根本上影響著一系列的重大自然科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的面貌。