浅谈原子能级跃迁在原子钟的应用

薛辰昇

（福建省厦门市松柏中学，福建 厦门 361026）

1 原子物理基础

1.1 量子力学基础知识

德国物理学家、量子力学的重要创始人之一普朗克在研究黑体辐射时，将辐射的能量划分成一份份，这样一份份的能量即为“量子”。 电磁波量子能量表示为E=hv 其中h 为一个很小的常量， 称为普朗克常数， 约为6.626*10-34，v 为 频 率。 1905 年，爱 因 斯 坦 提 出 光 量 子 假设，由此成功的解释了光电效应，进一步证明了量子论的正确性。根据光电效应，光照射到金属上，当入射光的频率高达一定值才能从金属表面打出自由电子。

1.2 能级跃迁

受普朗克能量量子化的启发，丹麦物理学家玻尔在研究原子核外电子时，提出电子轨道的量子化。 区别于经典物理学的原子核外电子轨道概念，玻尔理论的电子轨道只能在特定的几个离散轨道上，称为能级。 电子在吸收或释放特定频率的光子的情况下能够在各个能级之间跳跃，称为原子能级跃迁[1]。 该理论成功地解释了氢原子的光谱，反应了电子能量的量子化。

然而， 玻尔的轨道理论包含半经典半量子论的特点， 其 “轨道” 的概念并不能真正反应量子世界的实质， 因此轨道理论不能解释其他非氢原子的行为，取而代之的是奥地利物理学家薛定谔提出的量子力学中的一个基本方程-“薛定谔方程”， 该方程可描述微观粒子的运动。

2 原子钟中的能级跃迁

由于科学家们发现原子的特征频率是不会受到外界环境的任何影响， 也就是说特征频率一定是精确的， 固定的。 所以科学家认为可以使用某种原子的特征频率来对时间进行定义， 这就是原子钟的起源。 由于个别原子， 如铯原子具有两种很稳定的常见的能级，因此科学家们开始了铯原子钟的研制。

2.1 基本原理与能级跃迁

迄今为止，典型的原子钟种类为氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟。 此外还有离子微波钟、CPT 钟等新型原子钟[2]。尽管原子钟的种类与日俱增，但其基本的原理均为原子能级的跃迁。 以铯原子钟为例， 其基本示意图如图1 所示。

铯原子被加热为气体团，如图1 中蓝色小球，在其正交空间的六个方向上有六个激光头， 六束激光照射铯原子， 使之冷却至接近绝对零度， 这样做的目的是使铯原子的动能降为最小， 即静止状态。 随后所有的激光关闭， 只剩下地下的激光头， 使冷却的铯原子气体团上升约1m，其间穿过微波谐振腔。 腔体的两端均有磁场。 正常情况下铯原子的大量存在着两种稳定能级，一种为高的能级，表示为F,mF(4,0)，另一种为低能级，表示为F,mF(3,0)。

图1 铯原子钟基本示意图

如图2 所示的铯原子钟内部结构， 铯原子源位于图2 中最左侧， 铯原子从左往右穿过黄色的微波谐振腔， 谐振腔的两端有磁场装置， 上述两种能级状态的原子利用谐振腔两端的磁场就可以轻易的分离这两种状态的铯原子。 在穿过谐振腔左端磁场时舍弃高能原子， 原子团在穿过微波谐振腔时由于微波的频率波段包含铯原子的特征频率（9,192,631,770Hz）而使部分的铯原子发生能级跃迁， 从低能跃迁到高能状态。 之后铯原子在谐振腔的右端时穿过右端磁场， 这次磁场的作用是舍弃低能原子， 并让高能原子引向探测器 （位于图2 中最右侧）， 在图2 右下方还有一个激光探测器， 该激光与高能铯原子发生反应， 并在探测器上产生电荷， 通过电荷即可知道铯高能原子的数量， 探测器、谐振腔、石英晶体、相关电路设备与之构成闭环系统负反馈[3]。 通过负反馈使谐振腔中的微波频率不断接近直至完全到达铯原子的特征频率， 通过控制微波系统的电路设备即可精确的反应出“一秒”的时间。

图2 铯原子钟内部结构

由此我们知道原子钟说到底就是利用原子中电子轨道做的原子单摆， 即原子钟是以原子共振频率作为标准时间频率信号的产生装置[4]。

2.2 原子钟的精度与优势

目前，原子钟是世界上最准确的计时方式。2010 年2 月， 由美国国家标准局研制的铝离子光钟已达到37亿年误差不超过1 秒的惊人水平， 成为世界上最准的原子钟。 近年来，我们国家的时间工作取得重大进展。由中国科学院国家授时中心所产生和保持的我国标准时间UTC（NTSC）与国际标准时间UTC 之差逐年改进，目前已经小于±10ns，即UTC－UTC（NTSC）<10ns，为国际先进水平[5]。

3 原子钟的应用

时间频率基准的精度（原子钟的精度）是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一。高精度时间频率标准在全球定位系统、精确打击武器、信息高速公路等方面起着关键的作用。 目前，时间标准已经被广泛地应用到北斗导航系统、GPS 导航系统、天文导航、大地测量、高速数字通信、基础研究等领域。高精度的原子钟为国防，军事，乃至国际安全提供了高精度的时间保障。

3.1 秒的定义

世界时为第一个国际统一的时间尺度， 世界时（Universal Time，简称UT）使用地球自转周期，以日为基础， 分出秒的单位。 而世界时的时间就是著名的格林尼治天文台中间的本初子午线的时间。 世界时是不均匀的， 为了减少极轴对于时间的影响， 人们将世界时进行修正，产生了UT1；接着，对四季的变化进行修正，产生了UT2。

然而由于地球越转越慢， 为了消除世界时的累积误差， 又产生了历书时。 历书时采用的是地球的公转周期，然而其精度非常低，只有10^(-9)s。 人们开始探索更为精确的计时方式。 原子时是以精确的秒的定义为基础的时间。在1967 年的第十三届世界度量衡会议上，决定采用原子时。 直到目前，秒的定义[6]为，铯原子辐射频率的9192631770 个周期持续的时间为1 秒。

但是，使用原子时也是有问题的：如果完全使用原子时， 由于地球自转变慢， 按照现在的速度，5000 年差一个小时！三万年后，午夜零时太阳就升起来。为了解决这个问题，科学家们又发明了协调世界时。 协调世界时（Coordinated Universal Time），又称世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间，简称UTC。协调世界时是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。 不过随着地球自转的变慢，当世界时和原子时之差会逐渐积累。 相差0.9 秒的时候，协调世界时就会选择加一秒或者减一秒。 一般放在6 月30 号或者12月31 号的最后一分钟的最后一秒，称为闰秒。

3.2 全球卫星定位系统

原子钟除了用于世界上最准确的计时工具，还广泛用于全球卫星定位系统。 根据广义相对论，引力强的地方时间就慢，加之卫星的高速运动误差，因此GPS、北斗系统等卫星均装有精确的原子钟。 一般而言，定位地球上一个人的位置同时需要四个或以上的卫星，空间的三维需要三颗导航卫星， 第四颗卫星则用于修正时间误差。 导航星和测控站均装备高性能原子钟作为控制核心。 此外原子钟对大气传播、精密地球物理和基本物理(a，引力红移)研究水平具有推动作用[7]。

3.3 量子模拟器

据《新科学家》杂志网络版近日报道，世界上最精准的计时器原子钟又添了一个新功能： 科学家可将它用作量子模拟器， 来研究磁体内部电子的量子行为，以更深入地了解量子世界的奥秘。 参考我国出版的科普杂志：《科学世界》，2015 年第7 期[8]。

物理学中有许多难以解答的问题， 原因在于它们的行为受错综复杂的量子力学支配， 比如电子之间的量子相互作用产生的磁性， 就很难进行计算机模拟。美国天体物理学家安娜·玛丽亚·雷伊和她的研究团队， 在实验中偶然发现了一种可以在高出几个量级的温度条件下模拟量子行为的方法——利用原子钟。 这对于原子钟也是好消息， 了解原子如何相互作用，有助于打造更加准确的计时器。

4 结束语

原子钟的性能在不断提升， 种类和应用发生了很大变化， 但其基本的原理仍是利用原子的能级跃迁理论。 我国的计时工作由国家授时中心（NTSC）负责，协调世界时UTC(NTSC)和地方原子时TA(NTSC)的准确度和稳定度水平稳步提高, 进入了国际先进水平的行列[8]。 原子钟(原子时间频率标准)是人类科学技术活动的基本条件， 原子钟的精度不仅仅影响着世界计时， 以及全球卫星定位系统， 也将从根本上影响着一系列的重大自然科学和应用技术的面貌。