Science 版 (精华区)

发信人: valley (天音), 信区: Science
标  题: Re: 铯原子钟的工作原理 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年03月03日13:08:43 星期一), 站内信件

学过初中化学的人，对原子会有这样的理解：原子中有一个原子核，
核外有很多电子轨道，电子就在这些轨道上运动。

铯原子也不例子。它的核外有很多轨道，每个轨道都对应着一个确定
的能量。假设铯原子有一个电子e平时在轨道A上运动，如果它碰巧吸
收到一些能量，就可以跑到能量较高的轨道B上去运动。为什么要说碰
巧呢？因为铯原子的轨道能级非常准确，如果外界提供的能量不是
E(B-A)，而是稍微多一点点，或是稍微少一点点，能够吸收这份能量
的电子数就大大减小，或者说，电子吸收这种能量的可能性就大大减
小。如果提供的能量值离E(B-A)再远一点，就不会有电子来吸收这份
能量了。

传统的压电晶体的频率稳定性虽然很高，但远远不如铯原子这两个轨
道能量值的稳定性高。于是，我们用高稳定性的铯原子给压电晶体提
供负反馈使其稳定地工作在一个频率值上。

方法就是，用压电晶体产生电磁振荡，向铯原子蒸气发射电磁波。由
于这种电磁波的能量与铯原子轨道B,A的能量差值E(B-A)非常接近，
就会有大量的电子从轨道A跑到轨道B上去运动。假设某一时刻由于外
界或内部干扰，压电晶体振荡的频率下降，导致向铯蒸气发射的电磁
波频率下降，那么说时迟那时快，从轨道A跑到轨道B上去的电子数立
即大大减少。

真空管那边的磁场的主要任务就是把高能量的铯原子（吸收过电磁波
的）和低能量的色原子（没吸收电磁能量的）分开。

于是，如果由于晶体振荡频率下降使高能量的铯原子数大大减小，探
测仪器马上就能知道晶体的振荡频率有所改变，于是驱动反馈电路，
使晶体的振荡频率稳定在E(B-A)的对应值上。


【 在 lichunlu (露露365) 的大作中提到: 】
: 每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火
: 焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线
: 电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地选用作原子
: 钟。
: 　　将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体
: 振荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧
: 与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。
: 　　为了制造原子钟，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先
: 铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波场。


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