淺談原子能級(jí)躍遷在原子鐘的應(yīng)用

薛辰昇

（福建省廈門市松柏中學(xué)，福建 廈門 361026）

1 原子物理基礎(chǔ)

1.1 量子力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

德國物理學(xué)家、量子力學(xué)的重要?jiǎng)?chuàng)始人之一普朗克在研究黑體輻射時(shí)，將輻射的能量劃分成一份份，這樣一份份的能量即為“量子”。 電磁波量子能量表示為E=hv 其中h 為一個(gè)很小的常量， 稱為普朗克常數(shù)， 約為6.626*10-34，v 為 頻 率。 1905 年，愛 因 斯 坦 提 出 光 量 子 假設(shè)，由此成功的解釋了光電效應(yīng)，進(jìn)一步證明了量子論的正確性。根據(jù)光電效應(yīng)，光照射到金屬上，當(dāng)入射光的頻率高達(dá)一定值才能從金屬表面打出自由電子。

1.2 能級(jí)躍遷

受普朗克能量量子化的啟發(fā)，丹麥物理學(xué)家玻爾在研究原子核外電子時(shí)，提出電子軌道的量子化。 區(qū)別于經(jīng)典物理學(xué)的原子核外電子軌道概念，玻爾理論的電子軌道只能在特定的幾個(gè)離散軌道上，稱為能級(jí)。 電子在吸收或釋放特定頻率的光子的情況下能夠在各個(gè)能級(jí)之間跳躍，稱為原子能級(jí)躍遷[1]。 該理論成功地解釋了氫原子的光譜，反應(yīng)了電子能量的量子化。

然而， 玻爾的軌道理論包含半經(jīng)典半量子論的特點(diǎn)， 其 “軌道” 的概念并不能真正反應(yīng)量子世界的實(shí)質(zhì)， 因此軌道理論不能解釋其他非氫原子的行為，取而代之的是奧地利物理學(xué)家薛定諤提出的量子力學(xué)中的一個(gè)基本方程-“薛定諤方程”， 該方程可描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。

2 原子鐘中的能級(jí)躍遷

由于科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)原子的特征頻率是不會(huì)受到外界環(huán)境的任何影響， 也就是說特征頻率一定是精確的， 固定的。 所以科學(xué)家認(rèn)為可以使用某種原子的特征頻率來對(duì)時(shí)間進(jìn)行定義， 這就是原子鐘的起源。 由于個(gè)別原子， 如銫原子具有兩種很穩(wěn)定的常見的能級(jí)，因此科學(xué)家們開始了銫原子鐘的研制。

2.1 基本原理與能級(jí)躍遷

迄今為止，典型的原子鐘種類為氫原子鐘、銫原子鐘、銣原子鐘。 此外還有離子微波鐘、CPT 鐘等新型原子鐘[2]。盡管原子鐘的種類與日俱增，但其基本的原理均為原子能級(jí)的躍遷。 以銫原子鐘為例， 其基本示意圖如圖1 所示。

銫原子被加熱為氣體團(tuán)，如圖1 中藍(lán)色小球，在其正交空間的六個(gè)方向上有六個(gè)激光頭， 六束激光照射銫原子， 使之冷卻至接近絕對(duì)零度， 這樣做的目的是使銫原子的動(dòng)能降為最小， 即靜止?fàn)顟B(tài)。 隨后所有的激光關(guān)閉， 只剩下地下的激光頭， 使冷卻的銫原子氣體團(tuán)上升約1m，其間穿過微波諧振腔。 腔體的兩端均有磁場(chǎng)。 正常情況下銫原子的大量存在著兩種穩(wěn)定能級(jí)，一種為高的能級(jí)，表示為F,mF(4,0)，另一種為低能級(jí)，表示為F,mF(3,0)。

圖1 銫原子鐘基本示意圖

如圖2 所示的銫原子鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 銫原子源位于圖2 中最左側(cè)， 銫原子從左往右穿過黃色的微波諧振腔， 諧振腔的兩端有磁場(chǎng)裝置， 上述兩種能級(jí)狀態(tài)的原子利用諧振腔兩端的磁場(chǎng)就可以輕易的分離這兩種狀態(tài)的銫原子。 在穿過諧振腔左端磁場(chǎng)時(shí)舍棄高能原子， 原子團(tuán)在穿過微波諧振腔時(shí)由于微波的頻率波段包含銫原子的特征頻率（9,192,631,770Hz）而使部分的銫原子發(fā)生能級(jí)躍遷， 從低能躍遷到高能狀態(tài)。 之后銫原子在諧振腔的右端時(shí)穿過右端磁場(chǎng)， 這次磁場(chǎng)的作用是舍棄低能原子， 并讓高能原子引向探測(cè)器 （位于圖2 中最右側(cè)）， 在圖2 右下方還有一個(gè)激光探測(cè)器， 該激光與高能銫原子發(fā)生反應(yīng)， 并在探測(cè)器上產(chǎn)生電荷， 通過電荷即可知道銫高能原子的數(shù)量， 探測(cè)器、諧振腔、石英晶體、相關(guān)電路設(shè)備與之構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)負(fù)反饋[3]。 通過負(fù)反饋使諧振腔中的微波頻率不斷接近直至完全到達(dá)銫原子的特征頻率， 通過控制微波系統(tǒng)的電路設(shè)備即可精確的反應(yīng)出“一秒”的時(shí)間。

圖2 銫原子鐘內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由此我們知道原子鐘說到底就是利用原子中電子軌道做的原子單擺， 即原子鐘是以原子共振頻率作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)的產(chǎn)生裝置[4]。

2.2 原子鐘的精度與優(yōu)勢(shì)

目前，原子鐘是世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)方式。2010 年2 月， 由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局研制的鋁離子光鐘已達(dá)到37億年誤差不超過1 秒的驚人水平， 成為世界上最準(zhǔn)的原子鐘。 近年來，我們國家的時(shí)間工作取得重大進(jìn)展。由中國科學(xué)院國家授時(shí)中心所產(chǎn)生和保持的我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC（NTSC）與國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC 之差逐年改進(jìn)，目前已經(jīng)小于±10ns，即UTC－UTC（NTSC）<10ns，為國際先進(jìn)水平[5]。

3 原子鐘的應(yīng)用

時(shí)間頻率基準(zhǔn)的精度（原子鐘的精度）是反映一個(gè)國家戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一。高精度時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)在全球定位系統(tǒng)、精確打擊武器、信息高速公路等方面起著關(guān)鍵的作用。 目前，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航、大地測(cè)量、高速數(shù)字通信、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域。高精度的原子鐘為國防，軍事，乃至國際安全提供了高精度的時(shí)間保障。

3.1 秒的定義

世界時(shí)為第一個(gè)國際統(tǒng)一的時(shí)間尺度， 世界時(shí)（Universal Time，簡稱UT）使用地球自轉(zhuǎn)周期，以日為基礎(chǔ)， 分出秒的單位。 而世界時(shí)的時(shí)間就是著名的格林尼治天文臺(tái)中間的本初子午線的時(shí)間。 世界時(shí)是不均勻的， 為了減少極軸對(duì)于時(shí)間的影響， 人們將世界時(shí)進(jìn)行修正，產(chǎn)生了UT1；接著，對(duì)四季的變化進(jìn)行修正，產(chǎn)生了UT2。

然而由于地球越轉(zhuǎn)越慢， 為了消除世界時(shí)的累積誤差， 又產(chǎn)生了歷書時(shí)。 歷書時(shí)采用的是地球的公轉(zhuǎn)周期，然而其精度非常低，只有10^(-9)s。 人們開始探索更為精確的計(jì)時(shí)方式。 原子時(shí)是以精確的秒的定義為基礎(chǔ)的時(shí)間。在1967 年的第十三屆世界度量衡會(huì)議上，決定采用原子時(shí)。 直到目前，秒的定義[6]為，銫原子輻射頻率的9192631770 個(gè)周期持續(xù)的時(shí)間為1 秒。

但是，使用原子時(shí)也是有問題的：如果完全使用原子時(shí)， 由于地球自轉(zhuǎn)變慢， 按照現(xiàn)在的速度，5000 年差一個(gè)小時(shí)！三萬年后，午夜零時(shí)太陽就升起來。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們又發(fā)明了協(xié)調(diào)世界時(shí)。 協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time），又稱世界統(tǒng)一時(shí)間、世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、國際協(xié)調(diào)時(shí)間，簡稱UTC。協(xié)調(diào)世界時(shí)是以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。 不過隨著地球自轉(zhuǎn)的變慢，當(dāng)世界時(shí)和原子時(shí)之差會(huì)逐漸積累。 相差0.9 秒的時(shí)候，協(xié)調(diào)世界時(shí)就會(huì)選擇加一秒或者減一秒。 一般放在6 月30 號(hào)或者12月31 號(hào)的最后一分鐘的最后一秒，稱為閏秒。

3.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

原子鐘除了用于世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具，還廣泛用于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 根據(jù)廣義相對(duì)論，引力強(qiáng)的地方時(shí)間就慢，加之衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)誤差，因此GPS、北斗系統(tǒng)等衛(wèi)星均裝有精確的原子鐘。 一般而言，定位地球上一個(gè)人的位置同時(shí)需要四個(gè)或以上的衛(wèi)星，空間的三維需要三顆導(dǎo)航衛(wèi)星， 第四顆衛(wèi)星則用于修正時(shí)間誤差。 導(dǎo)航星和測(cè)控站均裝備高性能原子鐘作為控制核心。 此外原子鐘對(duì)大氣傳播、精密地球物理和基本物理(a，引力紅移)研究水平具有推動(dòng)作用[7]。

3.3 量子模擬器

據(jù)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)絡(luò)版近日?qǐng)?bào)道，世界上最精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)器原子鐘又添了一個(gè)新功能： 科學(xué)家可將它用作量子模擬器， 來研究磁體內(nèi)部電子的量子行為，以更深入地了解量子世界的奧秘。 參考我國出版的科普雜志：《科學(xué)世界》，2015 年第7 期[8]。

物理學(xué)中有許多難以解答的問題， 原因在于它們的行為受錯(cuò)綜復(fù)雜的量子力學(xué)支配， 比如電子之間的量子相互作用產(chǎn)生的磁性， 就很難進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。美國天體物理學(xué)家安娜·瑪麗亞·雷伊和她的研究團(tuán)隊(duì)， 在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了一種可以在高出幾個(gè)量級(jí)的溫度條件下模擬量子行為的方法——利用原子鐘。 這對(duì)于原子鐘也是好消息， 了解原子如何相互作用，有助于打造更加準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)器。

4 結(jié)束語

原子鐘的性能在不斷提升， 種類和應(yīng)用發(fā)生了很大變化， 但其基本的原理仍是利用原子的能級(jí)躍遷理論。 我國的計(jì)時(shí)工作由國家授時(shí)中心（NTSC）負(fù)責(zé)，協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(NTSC)和地方原子時(shí)TA(NTSC)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度水平穩(wěn)步提高, 進(jìn)入了國際先進(jìn)水平的行列[8]。 原子鐘(原子時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn))是人類科學(xué)技術(shù)活動(dòng)的基本條件， 原子鐘的精度不僅僅影響著世界計(jì)時(shí)， 以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)， 也將從根本上影響著一系列的重大自然科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的面貌。