Se hai letto Come funzionano i ricevitori GPS, sai che gli orologi atomici sono estremamente importanti per il sistema. Si sente spesso parlare di orologi atomici anche negli annunci per i nuovi orologi che si sincronizzano automaticamente con l'orologio atomico di Boulder, Colorado. Gli orologi atomici sono importanti anche per una varietà di attività scientifiche.
Quindi iniziamo con la nozione generale di orologio. Il compito di un orologio è quello di tenere traccia del passare del tempo. Tutti gli orologi lo fanno contando i "tic" di un "risuonatore".
In un orologio a pendolo, il risonatore è un pendolo e gli ingranaggi dell'orologio tengono traccia del tempo contando le risonanze (le oscillazioni avanti e indietro) del pendolo. Il pendolo di solito risuona alla frequenza di un'oscillazione al secondo. Un orologio digitale utilizza le oscillazioni sulla linea elettrica (60 cicli al secondo negli Stati Uniti, 50 cicli al secondo in Europa) o le oscillazioni di un cristallo di quarzo come risonatore, e conta utilizzando contatori digitali. La precisione dell'orologio è determinata dalla precisione del risonatore alla frequenza specificata.
Un orologio atomico è un orologio che utilizza le frequenze di risonanza di atomi come suo risonatore. Secondo l'Enciclopedia Britannica, il risonatore è "regolato dalla frequenza della radiazione elettromagnetica a microonde emessa o assorbita dalla transizione quantistica (cambiamento di energia) di un atomo o di una molecola". (Vedi il National Institute of Standards and Technology per un diagramma e una descrizione del processo.)
Il vantaggio di questo approccio è che gli atomi risuonano a estremamente frequenze costanti. Se prendi un atomo di cesio e gli chiedi di risuonare, risuonerà esattamente alla stessa frequenza di qualsiasi altro atomo di cesio. Il cesio-133 oscilla a 9, 192, 631, 770 cicli al secondo. Questo tipo di accuratezza è completamente diverso dall'accuratezza di un orologio al quarzo. In un orologio al quarzo, il cristallo di quarzo è fabbricato in modo che la sua frequenza di oscillazione sia vicina a una frequenza standard; ma le tolleranze di fabbricazione fanno sì che ogni cristallo sia leggermente diverso, e cose come la temperatura cambieranno la frequenza. Un atomo di cesio risuona sempre al stessa frequenza nota -- questo è ciò che rende gli orologi atomici così precisi.
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