原子秒

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第413页（3774字）

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。

原子秒是1967年第13届国际计量大会决定采用的，其定义为：

“秒是铯－133原子在其基态两个超精细能级间跃迁时辐射的9192631770个周期所持续的时间。”如图8．2－2所示，E₁E₂为两超精细能级，τ₀为跃迁时的辐射周期。

图8．2－2 原子秒

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。

1．理论关系

在原子内部，电子绕着原子核旋转具有动能，电子与原了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状态。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，其分布如图8．2－3所示

图8．2－3 原子的能级

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。在同一温度下，大量原子在各个能级上原子数的分布如图8．2－4所示

图8．2－4 原子在能级上的分布

由图看出，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 (8．2－1)

式中 h为普朗克常数；

v为激励信号的频率；

E₂，E₁分别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，或者其倒数－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。

2．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8．2－1式，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。8．2－1式中的E₂，E₁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，本射还在自转(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。如图8．2－5所示。

图8．2－5 原子能级的分裂

3．秒定义的连续性

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。测量结果是9192631770±20Hz。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10^－9量级，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。

【参考文献】：

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