Протягом багатьох століть, спостерігаючи за обертанням Землі навколо своєї осі, визначали точний час. Для того, щоб правильно працювали будь-який годинник необхідний постійний період коливання, наприклад, маятника. Однак, при появі перших кварцових годин, людство виявило, що годинник йде не зовсім точно, як хотілося б.

По-перше, з часом наша планета поступово стала обертатися трохи довше через тертя хвиль припливів і відливів. І через сотню років її обертання навколо своєї осі збільшиться на 0,00164 секунди. По-друге, Земля обертається нерівномірно: то швидше, то повільніше, в результаті довжина кожного дня теж змінюється на 0.001 секунди. Однаково рівномірно в наші дні Земля перестала обертатися, тому це не може бути еталоном часу.

Недосконалість природних годин змусило людини створювати штучні прилади, здатні більш точно виконувати функції визначення часу, годинник. На сьогоднішній день будь-яка людина хоч щось знає про годинник, але не всі знають про те, що годинник є сьогодні наймасовішим вимірювальним приладом. У рік виробляється понад 300 мільйонів штук годин, а вимір часу на Землі щодня проводиться кілька десятків мільярдів раз.

По-перше, годинник використовує людство в якості засобів програмно-тимчасового управління.

По-друге, в наші дні вимір часу є і найточнішим видом вимірювань з усіх проведених: точність вимірювання часу визначається зараз неймовірно похибкою порядку 1 · 10-11%, або 1 з за 300 тис. Років.

А домоглися такої точності сучасні люди, коли стали використовувати атоми, які в результаті своїх коливань є регулятором ходу атомних годин. Атоми цезію знаходяться в двох, необхідних нам, енергетичних станах (+) і (-). Електромагнітне випромінювання з частотою 9 192 631 770 герц утворюється, коли атоми переходять зі стану (+) в (-), створюючи точний постійний періодичний процес - регулятор коду атомного годинника.

Для того, щоб атомний годинник працювали точно цезій необхідно випарувати в печі, в результаті цього процесу викидаються його атоми. Позаду печі знаходиться сортують магніт, який має пропускну здатність атомів в стані (+), а в ньому за рахунок опромінення в мікрохвильовому полі атоми переходять в стан (-). Другий магніт спрямовує атоми, що змінили стан (+) на (-) в приймальний пристрій. Багато атомів, що змінили свій стан, виходить лише в тому випадку, якщо частота мікрохвильового випромінювача в точності збігається з частотою коливань цезію 9 192 631 770 герц. Інакше, кількість атомів (-) в приймальному пристрої зменшується.

Прилади постійно відстежують і регулюють постійність частоти 9 192 631 770 герц. А значить, здійснилася мрія часових конструкторів, знайдений абсолютно постійний періодичний процес: частота 9 192 631 770 герц, що регулює хід атомних годин.

Сьогодні, в результаті міжнародної угоди, секунда визначається як період випромінювання помножений на 9 192 631 770, що відповідає переходу між двома гіпертонкімі структурними рівнями основного стану атома цезію (ізотопу цезію-133).

Для вимірювання точного часу можна використовувати також коливання інших атомів і молекул, таких як, атоми кальцію, заліза, цезію, стронцію, молекул водню, йоду, метану і т. Д. Однак, стандартом частоти визнано випромінювання атома цезію. Для того щоб здійснити порівняння коливань різних атомів зі стандартом (цезію) створений титан-сапфіровий лазер, що генерує широкий діапазон частот в діапазоні від 400 до 1000 нм.

Першим творцем кварцових і атомних годинників був англійський фізик-експериментатор Ессен Льюїс (1908-1997). У 1955 р він створив перший атомний стандарт частоти (часу) на пучку атомів цезію. Як результат цієї роботи через 3 роки (1958) виникла служба часу, заснована на атомному стандарті частоти.

В СРСР свої ідеї по створенню атомних годин висував академік Микола Геннадійович Басов.

Отже, атомний годинник, один з точних типів годин - пристрій для вимірювання часу, де в якості маятника використовуються власні коливання атомів або молекул. Стабільність атомного годинника є найкращою серед усіх існуючих типів годин, що є запорукою високої точності. Генератор атомного годинника видає в секунду більш ніж 32 768 імпульсу на відміну від звичайних годин. Коливання атомів немає залежать від температури повітря, вібрацій, вологості і багатьох інших зовнішніх факторів.

У сучасному світі, коли без навігації просто не обійтися, атомний годинник стали незамінними помічниками. Вони здатні визначити місце розташування космічного корабля, супутника, балістичної ракети, літака, підводного човна, автомобіля автоматично по супутниковому зв'язку.

Таким чином, останні 50 років атомний годинник, а точніше цезієві, вважаються найточнішими. Вони вже давно використовуються службами точного часу, а також тимчасові сигнали транслюються деякими радіостанціями.

Пристрій атомного годинника включає в себе 3 частини:

квантовий дискримінатор,

кварцовий осцилятор,

комплекс електроніки.

Кварцовий осцилятор генерує частоту (5 або 10 МГц). Осцилятори являє собою RC-радіогенератор, у якого в якості резонансного елемента використовуються п'єзоелектричні моди кварцового кристала, де і відбувається порівняння атомів, що змінили стан (+) на (-) Для підвищення стабільності його частота постійно порівнюється з коливаннями квантового дискримінатора (атомів або молекул) . При появі різниці в коливаннях, електроніка підлаштовує частоту кварцового осцилятора до нульового рівня, тим самим підвищуючи стабільність і точність годин до потрібного рівня.

У сучасному світі атомний годинник можуть бути виготовлені в будь-якій країні світу для використання їх у повсякденному житті. Вони досить невеликі за своїми розмірами і красиві. Розмір останньої новинки атомного годинника не більше сірникової коробки і їх низьке енергоспоживання - менше 1 Ватт. І це не межа, можливо, в майбутньому технічний прогрес досягне мобільних телефонів. А поки компактні атомний годинник встановлюють лише на стратегічні ракети для підвищення точності навігації у багато разів.

Сьогодні чоловічі і жіночі атомний годинник на будь-який смак і гаманець можна купити в Інтернет магазинах.

У 2011 році найменші в світі атомний годинник створили фахівці компанії Symmetricom і Національної лабораторії Сандия. Цей годинник, в 100 разів більш компактні, ніж попередні комерційно доступні версії. За величиною атомний хронометр - не більш сірникової коробки. Для роботи йому достатньо потужності 100 мВт - це в 100 разів менше в порівнянні з попередниками.

Зменшити розмір годин вдалося, встановивши замість пружин і шестерень механізм, який діє за принципом визначення частоти електромагнітних хвиль, випромінюваних атомами цезію під дією лазерного променя незначною мощности.

Такі годинники застосовуються в навігації, а також в роботі шахтарів, водолазів, там, де необхідно точно синхронізувати час з колегами на поверхні, а також службами точного часу, адже помилка атомного годинника становить менше 0,000001 частки секунди в добу. Вартість рекордно малих атомних годин Symmetricom склала близько 1500 доларів.

Матеріал взято з сайту http://globalphysics.ru