Sólin Sólin Rís 10:26 • sest 16:02 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 01:04 • Sest 15:19 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 01:05 • Síðdegis: 13:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 07:12 • Síðdegis: 20:04 í Reykjavík
Sólin Sólin Rís 10:26 • sest 16:02 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 01:04 • Sest 15:19 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 01:05 • Síðdegis: 13:31 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 07:12 • Síðdegis: 20:04 í Reykjavík
LeiðbeiningarTil baka

Sendu inn spurningu

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=
Forsíða Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg Hvað er frumeindaklukka?

Flokkun:

1.6.2004
Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvað er frumeindaklukka?

Kristján Leósson

Frumeindaklukkur (e. atomic clock) eru nákvæmustu tímamælingatæki sem smíðuð hafa verið. Slíkar klukkur meta lengd einnar sekúndu út frá náttúrulegum sveiflutíma ákveðinna frumeinda.

Flestallar klukkur hafa innbyggt einhvers konar kerfi sem hefur náttúrlegan sveiflutíma. Þessi sveiflutími er síðan notaður til að meta lengd þeirra tímaeininga sem við notum í okkar daglega lífi, til dæmis sekúndu eða mínútu. Í pendúlklukkum er það sveiflutími pendúls með ákveðna lengd og massa sem er viðmiðunin. Nákvæmni pendúlklukku eru takmörk sett til dæmis vegna núnings og hitabreytinga og ómögulegt er að smíða tvær klukkur sem eru nákvæmlega eins. Fjallað er um nákvæmar pendúlklukkur í svari Árdísar Elíasdóttur við spurningunni Er búið að finna upp eilífðarvél?

Í flestum nútíma klukkum og armbandsúrum er ekki pendúll heldur örlítil „tónkvísl“ úr kvarskristalli sem titrar með ákveðinni tíðni. Stærð og lögun kristallsins ákvarða sveiflutíðnina og hún er oft valin nálægt 30 kHz (30 þúsund sveiflur á sekúndu). Kvarskristallur hefur þann eiginleika að ef hann breytir lögun sinni þá myndast örlítil rafspenna á yfirborði hans. Sveiflum kristallsins má því breyta í rafboð með sömu sveiflutíðni. Örrásir taka við rafboðunum, nota þau til að ákvarða lengd einnar sekúndu eða mínútu og stjórna úrverkinu sem færir vísa klukkunnar. Venjulegar kvarsklukkur eru það nákvæmar að þeim skeikar ekki um meira en eina sekúndu á sólarhring. Slík frávik geta flestir sætt sig við.

Í ákveðnum tilvikum eru nákvæmari tímamælingar þó nauðsynlegar. Samgöngur og samskipti eru háð nákvæmum tímasetningum, svo og stór mælingakerfi (til dæmis GPS-leiðsögukerfið). Einnig er mikilvægt að til sé skilgreining á lengd einnar sekúndu þannig að hægt sé að kvarða annan tímamælingabúnað hvar sem er í heiminum eftir sama staðli. Frá árinu 1967 hefur ein sekúnda verið skilgreind sem 9.192.631.770 sveiflur þeirrar rafsegulgeislunar sem örvar frumefnið sesín 133 (e. cesium) milli tveggja ákveðinna orkustiga. Búnaðurinn sem mælir tíðni þessarar geislunar nefnist frumeindaklukka.

Nýjustu frumeindaklukkur, til dæmis NIST-F1 klukka Bandarísku staðlastofnunarinnar, eru svo nákvæmar að hámarksfrávik frá skilgreindum staðaltíma er minna en ein sekúnda á 30 milljón árum! Með því að nota sveiflutíma frumeinda er einnig tryggt að hægt sé að smíða margar klukkur með nákvæmlega sama viðmiðunartíma. Þess má geta að lengd einnar sekúndu og hraði ljóssins eru notuð til að skilgreina nákvæma lengd eins metra, ólíkt því sem áður var þegar metrinn var skilgreindur sem lengd á ákveðinni stöng sem enn er geymd hjá Alþjóðlegu staðlastofnuninni í Frakklandi.

Til eru mismunandi gerðir frumeindaklukkna, sumar innihalda sesín-frumeindir en aðrar til dæmis vetni eða kvikasilfur. Myndin hér að neðan sýnir hvernig fyrrnefnd NIST-F1 klukka er saman sett.

Bláa kúlan í miðjunni táknar þunnt gas af sesín frumeindum sem haldið er í lofttæmdum klefa. Leysigeislum er beint að skýinu úr öllum áttum og kælir það frumeindirnar með því að hægja á ferð þeirra þar til þær nálgast alkul (-273°C). Skýinu er síðan „ýtt“ uppávið með ljósinu þannig að það svífur í gegnum örbylgjugjafa sem sendir frá sér rafsegulgeislun með tíðni nálægt 9,2 GHz (9,2 billjón sveiflur á sekúndu). Þetta er ekki langt frá þeirri tíðni sem notuð er í venjulegum örbylgjuofnum (um það bil 2,5 GHz). Örbylgjugjafinn er stilltur þannig að tíðni hans svari til þeirrar tíðni sem þarf til að örva frumeindirnar milli tveggja ákveðinna orkustiga (sjá umfjöllun um orkustig frumeinda hér: Hvernig útskýri ég tíðniróf og tíðni á mannamáli?).

Þegar frumeindirnar verða fyrir geisluninni, breyta þær því orkuástandi sínu. Vegna áhrifa þyngdaraflsins falla sesín-frumeindirnar að lokum niður aftur, gegnum örbylgjugjafann og framhjá enn öðrum leysigeisla (appelsínugulur geisli á myndinni). Þær frumeindir sem hafa breytt um orkustig geta gleypt í sig ljósið og sent það frá sér aftur í aðra átt. Ljósnema er svo komið fyrir til að mæla hversu mikið ljós frumeindirnar senda frá sér og tíðni örbylgjugjafans er fínstillt þar til sterkasta ljósmerkið mælist. Við þá stillingu svara 9.192.631.770 sveiflur örbylgjugjafans nákvæmlega til einnar sekúndu, samkvæmt hinni alþjóðlegu skilgreiningu.

Mynd fengin frá
http://www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm

Höfundur

Kristján Leósson

Kristján Leósson

eðlisverkfræðingur

Útgáfudagur

1.6.2004

Spyrjandi

Jenný Óskarsdóttir, f. 1990
Sigurvin Freyr Hermannsson, f. 1990

Efnisorð

Tilvísun

Kristján Leósson. „Hvað er frumeindaklukka?“ Vísindavefurinn, 1. júní 2004, sótt 24. nóvember 2024, https://visindavefur.is/svar.php?id=4307.

Kristján Leósson. (2004, 1. júní). Hvað er frumeindaklukka? Vísindavefurinn. https://visindavefur.is/svar.php?id=4307

Kristján Leósson. „Hvað er frumeindaklukka?“ Vísindavefurinn. 1. jún. 2004. Vefsíða. 24. nóv. 2024. <https://visindavefur.is/svar.php?id=4307>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki

Senda grein til vinar

=

Hvað er frumeindaklukka?
Frumeindaklukkur (e. atomic clock) eru nákvæmustu tímamælingatæki sem smíðuð hafa verið. Slíkar klukkur meta lengd einnar sekúndu út frá náttúrulegum sveiflutíma ákveðinna frumeinda.

Flestallar klukkur hafa innbyggt einhvers konar kerfi sem hefur náttúrlegan sveiflutíma. Þessi sveiflutími er síðan notaður til að meta lengd þeirra tímaeininga sem við notum í okkar daglega lífi, til dæmis sekúndu eða mínútu. Í pendúlklukkum er það sveiflutími pendúls með ákveðna lengd og massa sem er viðmiðunin. Nákvæmni pendúlklukku eru takmörk sett til dæmis vegna núnings og hitabreytinga og ómögulegt er að smíða tvær klukkur sem eru nákvæmlega eins. Fjallað er um nákvæmar pendúlklukkur í svari Árdísar Elíasdóttur við spurningunni Er búið að finna upp eilífðarvél?

Í flestum nútíma klukkum og armbandsúrum er ekki pendúll heldur örlítil „tónkvísl“ úr kvarskristalli sem titrar með ákveðinni tíðni. Stærð og lögun kristallsins ákvarða sveiflutíðnina og hún er oft valin nálægt 30 kHz (30 þúsund sveiflur á sekúndu). Kvarskristallur hefur þann eiginleika að ef hann breytir lögun sinni þá myndast örlítil rafspenna á yfirborði hans. Sveiflum kristallsins má því breyta í rafboð með sömu sveiflutíðni. Örrásir taka við rafboðunum, nota þau til að ákvarða lengd einnar sekúndu eða mínútu og stjórna úrverkinu sem færir vísa klukkunnar. Venjulegar kvarsklukkur eru það nákvæmar að þeim skeikar ekki um meira en eina sekúndu á sólarhring. Slík frávik geta flestir sætt sig við.

Í ákveðnum tilvikum eru nákvæmari tímamælingar þó nauðsynlegar. Samgöngur og samskipti eru háð nákvæmum tímasetningum, svo og stór mælingakerfi (til dæmis GPS-leiðsögukerfið). Einnig er mikilvægt að til sé skilgreining á lengd einnar sekúndu þannig að hægt sé að kvarða annan tímamælingabúnað hvar sem er í heiminum eftir sama staðli. Frá árinu 1967 hefur ein sekúnda verið skilgreind sem 9.192.631.770 sveiflur þeirrar rafsegulgeislunar sem örvar frumefnið sesín 133 (e. cesium) milli tveggja ákveðinna orkustiga. Búnaðurinn sem mælir tíðni þessarar geislunar nefnist frumeindaklukka.

Nýjustu frumeindaklukkur, til dæmis NIST-F1 klukka Bandarísku staðlastofnunarinnar, eru svo nákvæmar að hámarksfrávik frá skilgreindum staðaltíma er minna en ein sekúnda á 30 milljón árum! Með því að nota sveiflutíma frumeinda er einnig tryggt að hægt sé að smíða margar klukkur með nákvæmlega sama viðmiðunartíma. Þess má geta að lengd einnar sekúndu og hraði ljóssins eru notuð til að skilgreina nákvæma lengd eins metra, ólíkt því sem áður var þegar metrinn var skilgreindur sem lengd á ákveðinni stöng sem enn er geymd hjá Alþjóðlegu staðlastofnuninni í Frakklandi.

Til eru mismunandi gerðir frumeindaklukkna, sumar innihalda sesín-frumeindir en aðrar til dæmis vetni eða kvikasilfur. Myndin hér að neðan sýnir hvernig fyrrnefnd NIST-F1 klukka er saman sett.

Bláa kúlan í miðjunni táknar þunnt gas af sesín frumeindum sem haldið er í lofttæmdum klefa. Leysigeislum er beint að skýinu úr öllum áttum og kælir það frumeindirnar með því að hægja á ferð þeirra þar til þær nálgast alkul (-273°C). Skýinu er síðan „ýtt“ uppávið með ljósinu þannig að það svífur í gegnum örbylgjugjafa sem sendir frá sér rafsegulgeislun með tíðni nálægt 9,2 GHz (9,2 billjón sveiflur á sekúndu). Þetta er ekki langt frá þeirri tíðni sem notuð er í venjulegum örbylgjuofnum (um það bil 2,5 GHz). Örbylgjugjafinn er stilltur þannig að tíðni hans svari til þeirrar tíðni sem þarf til að örva frumeindirnar milli tveggja ákveðinna orkustiga (sjá umfjöllun um orkustig frumeinda hér: Hvernig útskýri ég tíðniróf og tíðni á mannamáli?).

Þegar frumeindirnar verða fyrir geisluninni, breyta þær því orkuástandi sínu. Vegna áhrifa þyngdaraflsins falla sesín-frumeindirnar að lokum niður aftur, gegnum örbylgjugjafann og framhjá enn öðrum leysigeisla (appelsínugulur geisli á myndinni). Þær frumeindir sem hafa breytt um orkustig geta gleypt í sig ljósið og sent það frá sér aftur í aðra átt. Ljósnema er svo komið fyrir til að mæla hversu mikið ljós frumeindirnar senda frá sér og tíðni örbylgjugjafans er fínstillt þar til sterkasta ljósmerkið mælist. Við þá stillingu svara 9.192.631.770 sveiflur örbylgjugjafans nákvæmlega til einnar sekúndu, samkvæmt hinni alþjóðlegu skilgreiningu.

Mynd fengin frá
http://www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm...