高中物理 第3章 电磁波 第1节 电磁波的产生 原子振荡的原子钟素材 鲁科版选修3-4（通用）

高中物理 第3章 电磁波 第1节 电磁波的产生 原子振荡的原子钟素材 鲁科版选修3-4（通用）

原子振荡的原子钟 ‎ 到现在，我们的时钟已经从最早的靠天计时，转变到了依靠人类自己制作的单摆、晶体振荡器等具有周期现象的东西，但这些仍然不能满足人们探索宇宙、追求极限的需求，怎么办，人们想到了把原子跃迁频率套在石英晶体振荡器的频率上的方法。‎ 根据量子物理学的基本原理，原子由原子核和电子组成，电子绕原子核高速旋转，电子有不同的旋转轨道，电子在不同的旋转轨道具有不同的能量，这些能量是不连续的，称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁，当电子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波的频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的同一种跃迁的共振频率是一定的，例如铯133的一个共振频率为每秒9192631770赫兹。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。‎ ‎30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他便能够测量出原子的振荡频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他提出用原子的振荡频率来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。‎ 实际上，原子钟原理也是非常简单的，就是先激发原子，使其处于高能级，然后等原子跃迁到低能级以后，自然会辐射一个光子，使用集成电路，把这光子的频率，用锁相环将晶体振荡器的频率锁定到光子跃迁频率上。因为跃迁频率很稳定，晶体振荡器的频率也就非常稳定。原子钟的输出实际上是晶振的输出，只不过，这个晶振的频率被原子跃迁频率约束住了。‎ 根据这个原理，人们研究出很多种原子钟。被利用的化学元素有铷、铯、氢、锶等，分别以这些元素的名字命名，如铯原子钟等。对每一种元素，针对不同的用途开发出不同的原子钟。现在最小的原子钟只有一粒大米一样大小，最大的原子钟长度超过‎5米，最便宜的原子钟约1万元人民币，最贵的原子钟价值超过百万，这些原子钟各有个的用途，在各行各业发挥着巨大的用途。‎