Цезий стандарты: жиілік негіздері мен анықтамасы

Кіріспе

Бастапқы жиілік стандарты

Цезий стандарты – цезий-133 атомдарының екі гиперфиналық негізгі күйлері арасындағы фотонның сіңірілуі арқылы шығыс жиілігін басқару үшін қолданылатын бастапқы жиілік стандарты. Бірінші цезий сағатын Луи Эссен 1955 жылы Ұлыбританияның Ұлттық физикалық зертханасында жасады, ал АҚШ Әскери-теңіз обсерваториясының ғалымы Гернот М. Р. Винклер оны бүкіл әлемге таратты. Цезий атомдық сағаттары – ең дәл уақыт және жиілік стандарттарының бірі және Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) секундты анықтаудың негізгі стандарты болып табылады. Анықтама бойынша, цезий-133 атомдарының екі гиперфиналық негізгі күйлері арасындағы ауысудан туындаған сәулеленудің (жердің магнит өрісі сияқты сыртқы факторлардың болмауы жағдайында) ΔνCs жиілігі дәл 9 192 631 770 тең. Бұл мән 1960 жылы қабылданған кездегі өлшеу мүмкіндігінің шегінде цезий секундының Жердің Күнді айналу орбитасына негізделген бұрынғы стандартты эфемер секундына тең болуын қамтамасыз ету үшін таңдалды. Уақытты өлшеуде бұрынғыдан гөрі дәл өлшем болмағандықтан, осы өзгерістің әсері барлық қолданыстағы өлшемдердің эксперименталдық қателігінен азырақ болды. Секунд – цезий стандартымен нақты анықталатын жалғыз негізгі бірлік болғанымен, СИ бірліктерінің көпшілігінде секунд немесе секунд арқылы анықталатын басқа бірліктерге сілтеме жасалады. Осылайша, мольден басқа барлық негізгі бірліктер және кулон, ом, сименс, вебер, грей, зиверт, радиан және стерадианнан басқа барлық туынды бірліктер цезий-133 гиперфиналық ауысу сәулеленуінің қасиеттерімен тікелей анықталады. Олардың ішінде моль, кулон және өлшемсіз радиан мен стерадианнан басқалары электромагниттік сәулеленудің жалпы қасиеттерімен анықталады.

Техникалық мәліметтер

Секундтың ресми анықтамасын алғаш рет БМБМ 1967 жылы салмақтар мен өлшемдер жөніндегі 13-ші жалпы конференцияда берген: "Секунд – цезий-133 атомының негізгі күйінің екі гиперфина деңгейі арасындағы ауысуға сәйкес келетін сәулеленудің 9 192 631 770 периодының ұзақтығы". 1997 жылғы отырысында БМБМ бұрынғы анықтамаға мынадай ерекшеліктерді қосты: "Бұл анықтама 0 К температурасындағы тынышталған цезий атомына қатысты". БМБМ бұл анықтаманы 26-шы конференциясында (2018) қайталады: "Секунд цезий жиілігінің ∆Cs, цезий-133 атомының бұзылмаған негізгі күйінің гиперфина ауысу жиілігінің тұрақты сандық мәні 9 192 631 770 деп қабылдап, s⁻¹ тең болатын Hz бірлігінде көрсетілген кезде анықталады". Жоғарыдағы анықтаманың мағынасы төмендегідей. Цезий атомының электрондық конфигурациясы [Xe] 6s¹ және, сәйкесінше, атомдық термин символы 2S₁/₂. Бұл бір жұпсыз электрон бар екенін және атомның жалпы электрон спині 1/2 екенін білдіреді. Сонымен қатар, цезий-133 ядросының ядролық спині 7/2 тең. Электрон спині мен ядролық спиннің бір мезгілде болуы гиперфина өзара әрекеттесу механизмі арқылы барлық энергия деңгейлерін екі ішкі деңгейге (шағын) бөлуге әкеледі. Бір ішкі деңгей электрон мен ядролық спиннің параллель болуына сәйкес келеді (яғни, бір бағытта бағытталған), бұл жалпы спинге F = 7/2 + 1/2 = 4 тең; екінші ішкі деңгей электрон мен ядролық спиннің антипараллель болуына сәйкес келеді (яғни, қарама-қарсы бағытта бағытталған), бұл жалпы спинге F = 7/2 - 1/2 = 3 тең. Цезий атомында энергия жағынан ең төменгі ішкі деңгей 1=F = 3, ал 1=F = 4 ішкі деңгейі энергия жағынан сәл жоғары орналасқан. Атомды екі деңгей арасындағы энергия айырмасына сәйкес келетін энергиясы бар электромагниттік сәулемен сәулелендіргенде, сәулелену сіңіріледі және атом 1=F = 3 ішкі деңгейінен 1=F = 4 ішкі деңгейіне өтеді. Көп ұзамай, атом сәулеленуді қайта шығарып, өзінің 1=F=3 негізгі күйіне оралады. Секундтың анықтамасынан қаралып отырған сәулеленудің жиілігі дәл 9.19263177 тең, бұл шамамен 3.26 см толқын ұзындығына сәйкес келеді, сондықтан микротолқын диапазонына жатады. Бұл цезийлік резонанс туралы келісімге Метр Конвенциясы аясында қол жеткізілді және ол қазіргі уақытта әлемдік қауымдастық үшін секундының ресми анықтамасы болып табылады. Көбінесе бұрыштық жиіліктен жиілікке немесе керісінше айналдыруға байланысты шатасу туындайды. Бұрыштық жиіліктер ғылыми әдебиетте әдетте s⁻¹ ретінде беріледі, бірақ мұнда бірліктер секундқа радианды білдіреді. Ал Hz бірлігі секундына цикл ретінде қабылданады. Ауыстыру формуласы ω = 2πf, яғни 1 Гц шамамен 6.28 радиан/секунд бұрыштық жиілікке сәйкес келеді (немесе 6.28 s⁻¹ радианды қысқартқан жағдайда).

The official definition of the second was first given by the BIPM at the 13th General Conference on Weights and Measures in 1967 as: "The second is the duration of 9192631770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom." At its 1997 meeting the BIPM added to the previous definition the following specification: "This definition refers to a caesium atom at rest at a temperature of 0 K."

The BIPM restated this definition in its 26th conference (2018), "The second is defined by taking the fixed numerical value of the caesium frequency ∆Cs, the unperturbed ground state hyperfine transition frequency of the caesium 133 atom, to be 9 192 631 770 when expressed in the unit Hz, which is equal to s–1." The meaning of the preceding definition is as follows. The caesium atom has a ground state electron state with configuration [Xe] 6s1 and, consequently, atomic term symbol 2S1/2. This means that there is one unpaired electron and the total electron spin of the atom is 1/2. Moreover, the nucleus of caesium 133 has a nuclear spin equal to 7/2. The simultaneous presence of electron spin and nuclear spin leads, by a mechanism called hyperfine interaction, to a (small) splitting of all energy levels into two sub levels. One of the sub levels corresponds to the electron and nuclear spin being parallel (i. e., pointing in the same direction), leading to a total spin F equal to 1=F = 7/2 + 1/2 = 4; the other sub level corresponds to anti parallel electron and nuclear spin (i. e., pointing in opposite directions), leading to a total spin 1=F = 7/2 − 1/2 = 3. In the caesium atom it so happens that the sub level lowest in energy is the one with 1=F = 3, while the 1=F = 4 sub level lies energetically slightly above. When the atom is irradiated with electromagnetic radiation having an energy corresponding to the energetic difference between the two sub levels the radiation is absorbed and the atom is excited, going from the 1=F = 3 sub level to the 1=F = 4 one. After a small fraction of a second the atom will re emit the radiation and return to its 1=F = 3 ground state. From the definition of the second it follows that the radiation in question has a frequency of exactly 9.19263177, corresponding to a wavelength of about 3.26 cm and therefore belonging to the microwave range. This particular caesium resonance was agreed upon under la Convention du Mètre and remains to the present time as the official definition of the second for the world community. Note that a common confusion involves the conversion from angular frequency to frequency , or vice versa. Angular frequencies are conventionally given as s–1 in scientific literature, but here the units implicitly mean radians per second. In contrast, the unit Hz should be interpreted as cycles per second. The conversion formula is , which implies that 1 Hz corresponds to an angular frequency of approximately 6.28 radians per second (or 6.28 s–1 where radians is omitted for brevity by convention).

Температура

1954 жылдан 2019 жылға дейін СИ температура шкалалары судың үштік нүктесі және абсолюттік нөлді пайдалана отырып анықталды. 2019 жылғы түзету оларды Болцман тұрақтысы k үшін 1,380649 Дж/К мәнімен алмастырды, яғни: 1 кельвин, K, = 1,380649 Дж/2 еркіндік дәрежесіне = ΔECs еркіндік дәрежесіне = ΔECs еркіндік дәрежесіне. Цельсий градусындағы температура, °C, = кельвиндегі температурадан 273,15-ті кеміту.