Введение
Стандарт первичной частоты
Стандарт цезия — это стандарт первичной частоты, в котором поглощение фотонов при переходах между двумя гиперфиновыми основными состояниями атомов цезия-133 используется для управления выходной частотой. Первые цезиевые часы были созданы Луисом Эссеном в 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании и получили распространение по всему миру благодаря Герноту М. Р. Винклеру из Морской обсерватории США. Цезиевые атомные часы — один из самых точных стандартов времени и частоты, служащий первичным стандартом для определения секунды в Международной системе единиц (СИ), современной метрической системе. По определению, излучение, возникающее при переходе между двумя гиперфиновыми основными состояниями цезия-133 (в отсутствие внешних воздействий, таких как магнитное поле Земли), имеет частоту ΔνCs, равную ровно 9 192 631 770. Это значение было выбрано таким образом, чтобы секунда, определяемая на основе цезия, соответствовала существующей стандартной эфемеридной секунде, основанной на орбите Земли вокруг Солнца, с точностью, достижимой в 1960 году, когда она была принята. Поскольку никакое другое измерение, связанное со временем, не было столь точным, эффект от изменения оказался меньше экспериментальной неопределенности всех существующих измерений. Хотя секунда является единственной основной единицей, которая явно определяется на основе цезиевого стандарта, большинство единиц СИ имеют определения, в которых упоминается либо секунда, либо другие единицы, определенные с использованием секунды. Следовательно, каждая основная единица, кроме моля, и каждая названная производная единица, кроме кулона, ома, сименса, вебера, серого, зиверта, радиана и стерадиана, имеют значения, которые неявно определяются свойствами излучения при гиперфинном переходе цезия-133. И из них все, кроме моля, кулона, а также безразмерных радиана и стерадиана, неявно определены общими свойствами электромагнитного излучения.
Технические детали
Официальное определение секунды было впервые дано BIPM на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году: "Вторая — это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя гиперфиновыми уровнями основного состояния атома цезия 133". На своем заседании 1997 года BIPM добавил к предыдущему определению следующую спецификацию: "Это определение относится к атому цезия в состоянии покоя при температуре 0 K". BIPM повторил это определение на своей 26-й конференции (2018): "Вторая определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты цезия ∆Cs, частоты гиперфинового перехода атома цезия 133 в невозмущенном основном состоянии, равным 9 192 631 770 при выражении в единицах Гц, что равно с⁻¹". Смысл предыдущего определения заключается в следующем. Атом цезия имеет основное электронное состояние с конфигурацией [Xe] 6s¹ и, следовательно, атомный термин 2S₁/₂. Это означает, что имеется один неспаренный электрон, и полный спин электронов атома равен 1/2. Кроме того, ядро цезия 133 имеет ядерный спин, равный 7/2. Одновременное присутствие спина электрона и ядерного спина приводит, посредством механизма, называемого гиперфинным взаимодействием, к (небольшому) расщеплению всех энергетических уровней на два подуровня. Один из подуровней соответствует параллельному спину электрона и ядра (то есть, направленному в одном направлении), что приводит к полному спину F, равному F = 7/2 + 1/2 = 4; другой подуровень соответствует антипараллельному спину электрона и ядра (то есть, направленному в противоположных направлениях), что приводит к полному спину F = 7/2 − 1/2 = 3. В атоме цезия так сложилось, что подуровень с наименьшей энергией — это подуровень с F = 3, в то время как подуровень с F = 4 энергетически лежит немного выше. Когда атом облучают электромагнитным излучением, энергия которого соответствует энергетической разнице между двумя подуровнями, излучение поглощается, и атом возбуждается, переходя от подуровня F = 3 к подуровню F = 4. Через небольшую долю секунды атом повторно излучает это излучение и возвращается в свое основное состояние F = 3. Из определения секунды следует, что частота рассматриваемого излучения составляет ровно 9,19263177, что соответствует длине волны около 3,26 см и, следовательно, относится к микроволновому диапазону. Этот конкретный цезиевый резонанс был согласован в рамках Конвенции о метре и до настоящего времени остается официальным определением секунды для мирового сообщества. Следует отметить, что распространенная путаница связана с преобразованием из угловой частоты в частоту и наоборот. Угловые частоты обычно указываются в с⁻¹ в научной литературе, но здесь единицы измерения подразумевают радианы в секунду. В отличие от этого, единицу Гц следует интерпретировать как циклы в секунду. Формула преобразования ω = 2πf, которая подразумевает, что 1 Гц соответствует угловой частоте приблизительно 6,28 радиан в секунду (или 6,28 с⁻¹, где радиан опускается для краткости).
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
С 1954 по 2019 год шкалы температуры СИ определялись с использованием тройной точки воды и абсолютного нуля. Ревизия 2019 года заменила их на установленное значение постоянной Больцмана, k, равное 1,380649 Дж/К, что подразумевает:
1 кельвин, K, = 1,380649 Дж/2 на степень свободы = ΔECs на степень свободы = ΔECs на степень свободы.
Температура в градусах Цельсия, °C, = температура в кельвинах – 273,15.