समय मापने के लिए परमाणु उपकरणों की उपस्थिति का संक्षिप्त इतिहास। दुनिया की सबसे सटीक घड़ी - क्वांटम

परमाणु घड़ी बहुत सटीक समय मापन के लिए एक उपकरण है। उन्हें अपना नाम उनके काम के सिद्धांत से मिला, क्योंकि अणुओं या परमाणुओं के प्राकृतिक कंपन का उपयोग अवधि के रूप में किया जाता है। नेविगेशन में, अंतरिक्ष उद्योग में, उपग्रह स्थिति में, सेना में, विमान का पता लगाने में और दूरसंचार में परमाणु घड़ियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

जैसा कि आप देख सकते हैं, आवेदन के बहुत सारे क्षेत्र हैं, लेकिन उन सभी को इतनी सटीकता की आवश्यकता क्यों है, क्योंकि आज साधारण परमाणु घड़ियों की त्रुटि 30 मिलियन वर्षों में केवल 1 सेकंड है? लेकिन और भी सटीक है। सब कुछ समझ में आता है, क्योंकि समय का उपयोग दूरियों की गणना करने के लिए किया जाता है, और यदि हम लौकिक दूरी लेते हैं, तो एक छोटी सी त्रुटि सैकड़ों मीटर या किलोमीटर तक हो सकती है। उदाहरण के लिए, अमेरिकी जीपीएस नेविगेशन सिस्टम लेते हैं, रिसीवर में एक पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घड़ी का उपयोग करते समय, निर्देशांक को मापने में त्रुटि काफी महत्वपूर्ण होगी, जो अन्य सभी गणनाओं को प्रभावित कर सकती है, और जब यह अंतरिक्ष प्रौद्योगिकियों की बात आती है तो इसके परिणाम हो सकते हैं। . स्वाभाविक रूप से, मोबाइल उपकरणों और अन्य गैजेट्स में जीपीएस रिसीवर के लिए अधिक सटीकता बिल्कुल भी महत्वपूर्ण नहीं है।

मास्को और दुनिया में सबसे सटीक समय आधिकारिक वेबसाइट पर पाया जा सकता है - "सटीक वर्तमान समय का सर्वर" www.timeserver.ru

परमाणु घड़ियाँ किससे बनी होती हैं?

एक परमाणु घड़ी में कई मुख्य भाग होते हैं: एक क्वार्ट्ज ऑसिलेटर, एक क्वांटम डिस्क्रिमिनेटर और इलेक्ट्रॉनिक्स ब्लॉक। मुख्य संदर्भ सेटिंग एक क्वार्ट्ज ऑसीलेटर है, जो क्वार्ट्ज क्रिस्टल पर बनाया गया है और, एक नियम के रूप में, 10, 5, 2.5 मेगाहट्र्ज की मानक आवृत्ति उत्पन्न करता है। चूंकि त्रुटि के बिना क्वार्ट्ज का स्थिर संचालन अपेक्षाकृत छोटा है, इसलिए इसे लगातार समायोजित किया जाना चाहिए।

क्वांटम डिस्क्रिमिनेटर परमाणु रेखा की आवृत्ति को ठीक करता है, और इसकी तुलना आवृत्ति-चरण तुलनित्र में क्वार्ट्ज ऑसिलेटर की आवृत्ति के साथ की जाती है। आवृत्ति बेमेल के मामले में इसे समायोजित करने के लिए तुलनित्र के पास क्रिस्टल ऑसिलेटर की प्रतिक्रिया होती है।
परमाणु घड़ियों को सभी परमाणुओं पर नहीं बनाया जा सकता है। सबसे इष्टतम सीज़ियम परमाणु है। यह उस प्राथमिक को संदर्भित करता है जिसके विरुद्ध अन्य सभी उपयुक्त सामग्रियों की तुलना की जाती है, जैसे, उदाहरण के लिए: स्ट्रोंटियम, रुबिडियम, कैल्शियम। प्राथमिक मानक सटीक समय को मापने के लिए बिल्कुल उपयुक्त है, इसलिए इसे प्राथमिक कहा जाता है।

दुनिया की सबसे सटीक परमाणु घड़ी

तारीख तक सबसे सटीक परमाणु घड़ीयूके में हैं (आधिकारिक तौर पर स्वीकृत)। उनकी त्रुटि 138 मिलियन वर्षों में केवल 1 सेकंड है। वे संयुक्त राज्य अमेरिका सहित कई देशों के राष्ट्रीय समय मानकों के मानक हैं, और अंतर्राष्ट्रीय परमाणु समय भी निर्धारित करते हैं। लेकिन राज्य में पृथ्वी पर सबसे सटीक घड़ियां नहीं हैं।

सबसे सटीक परमाणु घड़ी तस्वीर

अमेरिका ने लगभग 1.5 अरब वर्षों में 1 सेकंड की त्रुटि के साथ सीज़ियम परमाणुओं पर आधारित एक प्रायोगिक प्रकार की सटीक घड़ी विकसित करने का दावा किया है। इस क्षेत्र में विज्ञान स्थिर नहीं रहता है और तीव्र गति से विकसित होता है।

सबसे पहले, घड़ी कार्यक्रम-समय नियंत्रण के साधन के रूप में मानवता का उपयोग करती है।

दूसरे, आज समय का मापन भी सभी किए गए मापों का सबसे सटीक प्रकार है: समय मापन की सटीकता अब 1 10-11%, या 300 हजार वर्षों में 1 एस के क्रम की एक अविश्वसनीय त्रुटि से निर्धारित होती है।

और आधुनिक लोगों ने ऐसी सटीकता तब हासिल की जब उन्होंने उपयोग करना शुरू किया परमाणुओं, जो उनके दोलनों के परिणामस्वरूप परमाणु घड़ी के नियामक हैं। सीज़ियम परमाणु उन दो ऊर्जा अवस्थाओं में हैं जिनकी हमें आवश्यकता है (+) और (-)। 9,192,631,770 हर्ट्ज की आवृत्ति के साथ विद्युत चुम्बकीय विकिरण उत्पन्न होता है जब परमाणु राज्य (+) से (-) तक जाते हैं, एक सटीक निरंतर आवधिक प्रक्रिया बनाते हैं - परमाणु घड़ी कोड के नियंत्रक।

परमाणु घड़ियों के सही ढंग से काम करने के लिए, भट्टी में सीज़ियम को वाष्पित किया जाना चाहिए, जिसके परिणामस्वरूप इसके परमाणु बाहर निकल जाते हैं। भट्टी के पीछे एक छँटाई चुम्बक होता है, जिसमें (+) अवस्था में परमाणुओं की क्षमता होती है, और इसमें माइक्रोवेव क्षेत्र में विकिरण के कारण परमाणु (-) अवस्था में चले जाते हैं। दूसरा चुंबक उन परमाणुओं को निर्देशित करता है जिन्होंने स्थिति (+) से (-) को प्राप्त डिवाइस में बदल दिया है। कई परमाणु जिन्होंने अपनी स्थिति बदल दी है, केवल तभी प्राप्त होते हैं जब माइक्रोवेव उत्सर्जक की आवृत्ति सीज़ियम 9 192 631 770 हर्ट्ज के कंपन की आवृत्ति के साथ मेल खाती है। अन्यथा, रिसीवर में परमाणुओं (-) की संख्या घट जाती है।

उपकरण लगातार आवृत्ति 9 192 631 770 हर्ट्ज की निरंतरता की निगरानी और समायोजन करते हैं। तो, घड़ी डिजाइनरों का सपना सच हो गया, एक बिल्कुल स्थिर आवधिक प्रक्रिया पाई गई: 9,192,631,770 हर्ट्ज की आवृत्ति, जो परमाणु घड़ियों के पाठ्यक्रम को नियंत्रित करती है।

आज, अंतरराष्ट्रीय समझौते के परिणामस्वरूप, दूसरे को सीज़ियम परमाणु (सीज़ियम -133 आइसोटोप) की जमीनी स्थिति के दो हाइपरफाइन संरचनात्मक स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप, 9,192,631,770 से गुणा करके विकिरण अवधि के रूप में परिभाषित किया गया है।

सटीक समय मापने के लिए, आप कैल्शियम, रूबिडियम, सीज़ियम, स्ट्रोंटियम, हाइड्रोजन अणु, आयोडीन, मीथेन इत्यादि जैसे अन्य परमाणुओं और अणुओं के कंपन का भी उपयोग कर सकते हैं। हालांकि, सीज़ियम परमाणु के विकिरण को माना जाता है। आवृत्ति मानक। एक मानक (सीज़ियम) के साथ विभिन्न परमाणुओं के कंपन की तुलना करने के लिए, एक टाइटेनियम-नीलम लेजर बनाया गया था जो 400 से 1000 एनएम की सीमा में एक विस्तृत आवृत्ति रेंज उत्पन्न करता है।

क्वार्ट्ज और परमाणु घड़ियों के पहले निर्माता एक अंग्रेजी प्रायोगिक भौतिक विज्ञानी थे एसेन लुईस (1908-1997). 1955 में, उन्होंने सीज़ियम परमाणुओं के बीम पर पहला परमाणु आवृत्ति (समय) मानक बनाया। इस काम के परिणामस्वरूप, 3 साल बाद (1958) परमाणु आवृत्ति मानक के आधार पर एक समय सेवा उभरी।

यूएसएसआर में, शिक्षाविद् निकोलाई गेनाडीविच बसोव ने परमाणु घड़ियों के निर्माण के लिए अपने विचार सामने रखे।

इसलिए, परमाणु घड़ी,सटीक प्रकार की घड़ियों में से एक समय मापने के लिए एक उपकरण है, जहां परमाणुओं या अणुओं के प्राकृतिक दोलनों को पेंडुलम के रूप में उपयोग किया जाता है। सभी मौजूदा प्रकार की घड़ियों में परमाणु घड़ियों की स्थिरता सबसे अच्छी है, जो उच्चतम सटीकता की कुंजी है। पारंपरिक घड़ियों के विपरीत, परमाणु घड़ी जनरेटर प्रति सेकंड 32,768 से अधिक दालों का उत्पादन करता है। परमाणुओं का दोलन हवा के तापमान, कंपन, आर्द्रता और कई अन्य बाहरी कारकों पर निर्भर नहीं करता है।

आधुनिक दुनिया में, जब नेविगेशन बस अनिवार्य है, परमाणु घड़ियां अनिवार्य सहायक बन गई हैं। वे स्वचालित रूप से उपग्रह संचार के माध्यम से एक अंतरिक्ष यान, उपग्रह, बैलिस्टिक मिसाइल, विमान, पनडुब्बी, कार का स्थान निर्धारित करने में सक्षम हैं।

इस प्रकार, पिछले 50 वर्षों के लिए, परमाणु घड़ियों, या बल्कि सीज़ियम घड़ियों को सबसे सटीक माना गया है। वे लंबे समय से टाइमकीपिंग सेवाओं द्वारा उपयोग किए जाते हैं, और कुछ रेडियो स्टेशनों द्वारा समय संकेत भी प्रसारित किए जाते हैं।

परमाणु घड़ी उपकरण में 3 भाग शामिल हैं:

क्वांटम डिस्क्रिमिनेटर,

क्वार्ट्ज थरथरानवाला,

इलेक्ट्रॉनिक्स कॉम्प्लेक्स।

एक क्वार्ट्ज ऑसिलेटर एक आवृत्ति (5 या 10 मेगाहर्ट्ज) उत्पन्न करता है। थरथरानवाला एक आरसी रेडियो जनरेटर है, जिसमें एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल के पीजोइलेक्ट्रिक मोड का उपयोग गुंजयमान तत्व के रूप में किया जाता है, जहां परमाणुओं की स्थिति (+) से (-) में बदल दी जाती है। स्थिरता बढ़ाने के लिए, इसकी आवृत्ति लगातार होती है क्वांटम डिस्क्रिमिनेटर (परमाणु या अणु) के कंपन की तुलना में। जब दोलनों में अंतर होता है, तो इलेक्ट्रॉनिक्स क्वार्ट्ज ऑसिलेटर की आवृत्ति को शून्य पर समायोजित करता है, जिससे घड़ी की स्थिरता और सटीकता वांछित स्तर तक बढ़ जाती है।

आज की दुनिया में रोजमर्रा की जिंदगी में इस्तेमाल के लिए दुनिया के किसी भी देश में परमाणु घड़ियां बनाई जा सकती हैं। ये आकार में बहुत छोटे और सुंदर होते हैं। परमाणु घड़ियों की नवीनतम नवीनता का आकार माचिस की डिब्बी से अधिक नहीं है और उनकी कम बिजली खपत 1 वाट से कम है। और यह सीमा नहीं है, शायद भविष्य में तकनीकी प्रगति मोबाइल फोन तक पहुंच जाएगी। इस बीच, नेविगेशन की सटीकता को कई गुना बढ़ाने के लिए केवल रणनीतिक मिसाइलों पर कॉम्पैक्ट परमाणु घड़ियों को स्थापित किया गया है।

आज, हर स्वाद और बजट के लिए पुरुषों और महिलाओं की परमाणु घड़ियाँ ऑनलाइन स्टोर में खरीदी जा सकती हैं।

2011 में, सिमेट्रिकॉम और सैंडिया नेशनल लेबोरेटरी द्वारा दुनिया की सबसे छोटी परमाणु घड़ी बनाई गई थी। यह घड़ी पिछले व्यावसायिक रूप से उपलब्ध संस्करणों की तुलना में 100 गुना अधिक कॉम्पैक्ट है। एक परमाणु कालमापी का आकार माचिस की डिब्बी से बड़ा नहीं होता है। इसे संचालित करने के लिए 100 मेगावाट बिजली की आवश्यकता होती है, जो कि इसके पूर्ववर्तियों की तुलना में 100 गुना कम है।

नगण्य शक्ति के लेजर बीम के प्रभाव में सीज़ियम परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय तरंगों की आवृत्ति निर्धारित करने के सिद्धांत पर चलने वाले तंत्र को स्प्रिंग्स और गियर के बजाय स्थापित करके घड़ी के आकार को कम करना संभव था।

ऐसी घड़ियों का उपयोग नेविगेशन के साथ-साथ खनिकों, गोताखोरों के काम में किया जाता है, जहाँ सतह पर सहकर्मियों के साथ-साथ सटीक समय सेवाओं के साथ समय को सटीक रूप से सिंक्रनाइज़ करना आवश्यक होता है, क्योंकि परमाणु घड़ियों की त्रुटि 0.000001 अंशों से कम होती है। प्रति दिन एक सेकंड का। रिकॉर्ड तोड़ने वाली छोटी सिमेट्रिकॉम परमाणु घड़ी की कीमत लगभग 1,500 डॉलर थी।

जब प्रकाश अचानक बंद हो जाता है और थोड़ी देर बाद वापस आता है, तो आप कैसे जानते हैं कि घड़ी को किस समय सेट करने की आवश्यकता है? जी हां, मैं इलेक्ट्रॉनिक घड़ियों की बात कर रहा हूं, जो शायद हममें से कई लोगों के पास होती हैं। क्या आपने कभी सोचा है कि समय को कैसे नियंत्रित किया जाता है? इस लेख में, हम सभी परमाणु घड़ियों के बारे में जानेंगे और कैसे वे पूरी दुनिया को गुदगुदाते हैं।

क्या परमाणु घड़ियाँ रेडियोधर्मी हैं?

परमाणु घड़ियाँ किसी भी अन्य घड़ी से बेहतर समय बताती हैं। वे समय को पृथ्वी की परिक्रमा और तारों की गति से बेहतर बताते हैं। परमाणु घड़ियों के बिना, जीपीएस नेविगेशन असंभव होगा, इंटरनेट सिंक्रनाइज़ नहीं होगा, और अंतरिक्ष जांच और वाहनों के लिए ग्रहों की स्थिति पर्याप्त सटीकता के साथ ज्ञात नहीं होगी।

परमाणु घड़ियाँ रेडियोधर्मी नहीं हैं। वे परमाणु क्षय पर भरोसा नहीं करते। इसके अलावा, उनके पास नियमित घड़ियों की तरह ही एक वसंत है। मानक घड़ियों और परमाणु घड़ियों के बीच सबसे बड़ा अंतर यह है कि परमाणु घड़ियों में दोलन परमाणु के नाभिक में आसपास के इलेक्ट्रॉनों के बीच होते हैं। घुमावदार घड़ी में इन दोलनों को शायद ही संतुलन चक्र के समानांतर कहा जा सकता है, लेकिन गुजरते समय का ट्रैक रखने के लिए दोनों प्रकार के दोलनों का उपयोग किया जा सकता है। एक परमाणु के भीतर दोलन आवृत्ति नाभिक के द्रव्यमान, गुरुत्वाकर्षण और इलेक्ट्रोस्टैटिक "स्प्रिंग" द्वारा नाभिक के धनात्मक आवेश और उसके चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के बादल के बीच निर्धारित होती है।

हम किस प्रकार की परमाणु घड़ियों को जानते हैं?

आज विभिन्न प्रकार की परमाणु घड़ियाँ हैं, लेकिन वे एक ही सिद्धांत पर बनी हैं। मुख्य अंतर तत्व और ऊर्जा स्तर में परिवर्तन का पता लगाने के साधन से संबंधित है। विभिन्न प्रकार की परमाणु घड़ियों में निम्नलिखित हैं:

• सीज़ियम परमाणुओं के बीम का उपयोग करते हुए सीज़ियम परमाणु घड़ियाँ। घड़ी एक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विभिन्न ऊर्जा स्तरों वाले सीज़ियम परमाणुओं को अलग करती है।
• एक हाइड्रोजन परमाणु घड़ी एक कंटेनर में हाइड्रोजन परमाणुओं को सही ऊर्जा स्तर पर रखती है जिसकी दीवारें एक विशेष सामग्री से बनी होती हैं, इसलिए परमाणु अपनी उच्च-ऊर्जा अवस्था को बहुत जल्दी नहीं खोते हैं।
• रुबिडियम परमाणु घड़ियाँ, सबसे सरल और सबसे कॉम्पैक्ट, रुबिडियम गैस से भरे एक ग्लास सेल का उपयोग करती हैं।

सबसे सटीक परमाणु घड़ियाँ आज एक सीज़ियम परमाणु और डिटेक्टरों के साथ एक पारंपरिक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करती हैं। इसके अलावा, सीज़ियम परमाणुओं को लेजर बीम द्वारा वापस रखा जाता है, जो डॉपलर प्रभाव के कारण होने वाले छोटे आवृत्ति परिवर्तनों को कम करता है।

सीज़ियम आधारित परमाणु घड़ियाँ कैसे काम करती हैं?

परमाणुओं में एक विशिष्ट कंपन आवृत्ति होती है। आग में फेंके जाने पर टेबल नमक में सोडियम की नारंगी चमक आवृत्ति का एक परिचित उदाहरण है। परमाणु की कई अलग-अलग आवृत्तियाँ होती हैं, कुछ रेडियो रेंज में, कुछ दृश्यमान स्पेक्ट्रम में और कुछ बीच में। सीज़ियम-133 को अक्सर परमाणु घड़ियों के लिए चुना जाता है।

एक परमाणु घड़ी में सीज़ियम परमाणुओं की अनुनाद पैदा करने के लिए, संक्रमणों में से एक, या गुंजयमान आवृत्ति को सटीक रूप से मापा जाना चाहिए। यह आमतौर पर सीज़ियम परमाणु के मौलिक माइक्रोवेव अनुनाद में क्रिस्टल ऑसीलेटर को अवरुद्ध करके किया जाता है। यह सिग्नल रेडियो फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम की माइक्रोवेव रेंज में है और इसकी फ्रीक्वेंसी डायरेक्ट ब्रॉडकास्ट सैटेलाइट्स के सिग्नल्स के बराबर है। इंजीनियरों को पता है कि स्पेक्ट्रम के इस क्षेत्र के लिए सबसे छोटे विवरण के लिए उपकरण कैसे बनाया जाए।

एक घड़ी बनाने के लिए, सीज़ियम को पहले गर्म किया जाता है ताकि परमाणु वाष्पीकृत हो जाएँ और एक उच्च वैक्यूम ट्यूब से गुजरें। सबसे पहले, वे एक चुंबकीय क्षेत्र से गुजरते हैं, जो वांछित ऊर्जा स्थिति वाले परमाणुओं का चयन करता है; फिर वे एक तीव्र माइक्रोवेव क्षेत्र से गुजरते हैं। माइक्रोवेव ऊर्जा की आवृत्ति आवृत्तियों के एक संकीर्ण बैंड में आगे और पीछे कूदती है, ताकि किसी बिंदु पर यह 9,192,631,770 हर्ट्ज (हर्ट्ज, या चक्र प्रति सेकंड) की आवृत्ति तक पहुंच जाए। माइक्रोवेव ऑसिलेटर की सीमा पहले से ही इस आवृत्ति के करीब है, क्योंकि यह एक सटीक क्रिस्टल ऑसिलेटर द्वारा निर्मित होता है। जब एक सीज़ियम परमाणु वांछित आवृत्ति की माइक्रोवेव ऊर्जा प्राप्त करता है, तो यह अपनी ऊर्जा अवस्था को बदल देता है।

ट्यूब के अंत में, एक अन्य चुंबकीय क्षेत्र परमाणुओं को अलग करता है, जिन्होंने माइक्रोवेव क्षेत्र सही आवृत्ति पर होने पर अपनी ऊर्जा स्थिति बदल दी है। ट्यूब के अंत में डिटेक्टर उस पर हिट करने वाले सीज़ियम परमाणुओं की संख्या के अनुपात में एक आउटपुट देता है, और माइक्रोवेव आवृत्ति पर्याप्त रूप से सही होने पर चोटी जाती है। क्रिस्टल थरथरानवाला, और इसलिए माइक्रोवेव क्षेत्र को वांछित आवृत्ति पर लाने के लिए सुधार के लिए इस शिखर संकेत की आवश्यकता है। इस बंद आवृत्ति को तब 9,192,631,770 से विभाजित किया जाता है ताकि परिचित एक पल्स प्रति सेकंड दिया जा सके जिसकी वास्तविक दुनिया को जरूरत है।

परमाणु घड़ी का आविष्कार कब हुआ था?

1945 में, कोलंबिया विश्वविद्यालय के भौतिकी के प्रोफेसर इसिडोर रबी ने एक ऐसी घड़ी प्रस्तावित की जिसे 1930 के दशक में विकसित तकनीकों का उपयोग करके बनाया जा सकता था। इसे चुंबकीय अनुनाद परमाणु किरण कहा जाता था। 1949 तक, राष्ट्रीय मानक ब्यूरो ने अमोनिया अणु पर आधारित दुनिया की पहली परमाणु घड़ी के निर्माण की घोषणा की, जिसके कंपन को पढ़ा गया था, और 1952 तक इसने सीज़ियम परमाणुओं, NBS-1 पर आधारित दुनिया की पहली परमाणु घड़ी बनाई थी।

1955 में, इंग्लैंड में राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला ने अंशांकन स्रोत के रूप में सीज़ियम बीम का उपयोग करके पहली घड़ी का निर्माण किया। अगले दशक में, अधिक उन्नत घड़ियाँ बनाई गईं। 1967 में, वजन और माप पर 13वें आम सम्मेलन के दौरान, सीज़ियम परमाणु में कंपन के आधार पर एसआई सेकंड निर्धारित किया गया था। विश्व टाइमकीपिंग सिस्टम में इससे बेहतर कोई परिभाषा नहीं थी। NBS-4, दुनिया की सबसे स्थिर सीज़ियम घड़ी, 1968 में पूरी हुई थी और 1990 तक उपयोग में थी।

उच्च-परिशुद्धता परमाणु घड़ियाँ जो 300 मिलियन वर्षों में एक सेकंड की त्रुटि करती हैं। यह घड़ी, जिसने एक पुराने मॉडल को बदल दिया था जिसमें सौ मिलियन वर्षों में एक सेकंड की त्रुटि थी, अब अमेरिकी नागरिक समय के लिए मानक निर्धारित करती है। Lenta.ru ने परमाणु घड़ियों के निर्माण के इतिहास को याद करने का निर्णय लिया।

पहला परमाणु

घड़ी बनाने के लिए, यह किसी भी आवधिक प्रक्रिया का उपयोग करने के लिए पर्याप्त है। और समय मापने वाले उपकरणों के उद्भव का इतिहास आंशिक रूप से या तो नए ऊर्जा स्रोतों या घड़ियों में उपयोग किए जाने वाले नए ऑसिलेटरी सिस्टम के उद्भव का इतिहास है। सबसे सरल घड़ी शायद सूर्य घड़ी है, जिसे संचालित करने के लिए छाया डालने के लिए केवल सूर्य और किसी वस्तु की आवश्यकता होती है। समय निर्धारण की इस पद्धति के नुकसान स्पष्ट हैं। पानी और घंटा चश्मा भी बेहतर नहीं हैं: वे केवल अपेक्षाकृत कम समय अवधि को मापने के लिए उपयुक्त हैं।

सबसे पुरानी यांत्रिक घड़ी 1901 में एजियन सागर में एक डूबे हुए जहाज पर एंटीकाइथेरा द्वीप के पास मिली थी। उनमें लकड़ी के मामले में लगभग 30 कांस्य गियर होते हैं, जो 33 को 18 से 10 सेंटीमीटर मापते हैं और लगभग 100 ईसा पूर्व के हैं।

लगभग दो हज़ार वर्षों के लिए, यांत्रिक घड़ियाँ सबसे सटीक और विश्वसनीय रही हैं। 1657 में क्रिस्चियन हुय्गेंस की क्लासिक कृति "पेंडुलम क्लॉक" ("होरोलोगियम ऑसिलेटोरियम, सिव डे मोटू पेंडुलोरम एन होरोलोगिया एप्टैटो डिमॉन्स्ट्रेशन जियोमेट्रिका") की उपस्थिति एक ऑसिलेटिंग सिस्टम के रूप में एक पेंडुलम के साथ एक समय संदर्भ उपकरण के विवरण के साथ, शायद थी इस प्रकार के यांत्रिक उपकरणों के विकास के इतिहास में पराकाष्ठा।

हालांकि, खगोलविदों और नाविकों ने अभी भी अपने स्थान और सटीक समय को निर्धारित करने के लिए तारों वाले आकाश और मानचित्रों का उपयोग किया। पहली विद्युत घड़ी का आविष्कार फ्रांसिस रोनाल्ड्स ने 1814 में किया था। हालांकि, तापमान परिवर्तन के प्रति संवेदनशीलता के कारण ऐसा पहला उपकरण गलत था।

घड़ियों का आगे का इतिहास उपकरणों में विभिन्न ऑसिलेटरी सिस्टम के उपयोग से जुड़ा है। बेल लैब्स के कर्मचारियों द्वारा 1927 में पेश की गई, क्वार्ट्ज घड़ियों में क्वार्ट्ज क्रिस्टल के पीजोइलेक्ट्रिक गुणों का उपयोग किया गया था: जब इस पर विद्युत प्रवाह लागू किया जाता है, तो क्रिस्टल सिकुड़ने लगता है। आधुनिक क्वार्ट्ज क्रोनोमीटर प्रति माह 0.3 सेकंड तक की सटीकता प्राप्त कर सकते हैं। हालांकि, चूंकि क्वार्ट्ज उम्र बढ़ने के अधीन है, समय के साथ घड़ी कम सटीक हो जाती है।

परमाणु भौतिकी के विकास के साथ, वैज्ञानिकों ने पदार्थ के कणों को ऑसिलेटरी सिस्टम के रूप में उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। इस प्रकार पहली परमाणु घड़ी दिखाई दी। समय को मापने के लिए हाइड्रोजन के परमाणु कंपन का उपयोग करने का विचार 1879 में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन द्वारा सुझाया गया था, लेकिन यह 20 वीं शताब्दी के मध्य तक ही संभव हो पाया।

ह्यूबर्ट वॉन हेर्कॉमर द्वारा एक पेंटिंग का पुनरुत्पादन (1907)

1930 के दशक में, अमेरिकी भौतिक विज्ञानी और परमाणु चुंबकीय अनुनाद के खोजकर्ता, इसिडोर रबी ने सीज़ियम-133 परमाणु घड़ियों पर काम करना शुरू किया, लेकिन युद्ध के प्रकोप ने उन्हें रोक दिया। युद्ध के तुरंत बाद, 1949 में, अमोनिया अणुओं का उपयोग करने वाली पहली आणविक घड़ी को हेरोल्ड लियोनसन की भागीदारी के साथ यूएस नेशनल कमेटी ऑफ़ स्टैंडर्ड्स में बनाया गया था। लेकिन समय मापने के पहले ऐसे उपकरण आधुनिक परमाणु घड़ियों की तरह सटीक नहीं थे।

अपेक्षाकृत कम सटीकता इस तथ्य के कारण थी कि अमोनिया के अणुओं की आपस में और उस कंटेनर की दीवारों के साथ बातचीत के कारण जिसमें यह पदार्थ स्थित था, अणुओं की ऊर्जा बदल गई और उनकी वर्णक्रमीय रेखाएँ चौड़ी हो गईं। यह प्रभाव एक यांत्रिक घड़ी में घर्षण के समान ही है।

बाद में, 1955 में, यूके की राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला के लुई एस्सेन ने पहली सीज़ियम-133 परमाणु घड़ी पेश की। इस घड़ी ने लाखों वर्षों में एक सेकंड की त्रुटि जमा की। डिवाइस को NBS-1 नाम दिया गया था और इसे सीज़ियम आवृत्ति मानक माना जाने लगा।

एक परमाणु घड़ी के सर्किट आरेख में एक फीडबैक डिस्क्रिमिनेटर द्वारा नियंत्रित एक क्रिस्टल ऑसिलेटर होता है। थरथरानवाला क्वार्ट्ज के पीजोइलेक्ट्रिक गुणों का उपयोग करता है, जबकि विवेचक परमाणुओं के ऊर्जा कंपन का उपयोग करता है, ताकि क्वार्ट्ज के कंपन को परमाणुओं या अणुओं में विभिन्न ऊर्जा स्तरों से संक्रमण से संकेतों द्वारा ट्रैक किया जा सके। जनरेटर और विवेचक के बीच परमाणु कंपन की आवृत्ति के लिए एक कम्पेसाटर होता है और इसकी तुलना क्रिस्टल की कंपन आवृत्ति से की जाती है।

घड़ी में उपयोग किए जाने वाले परमाणुओं को स्थिर कंपन प्रदान करना चाहिए। विद्युत चुम्बकीय विकिरण की प्रत्येक आवृत्ति के अपने परमाणु होते हैं: कैल्शियम, स्ट्रोंटियम, रुबिडियम, सीज़ियम, हाइड्रोजन। या अमोनिया और आयोडीन के अणु भी।

समय मानक

परमाणु समय मापने के उपकरणों के आगमन के साथ, दूसरे को निर्धारित करने के लिए एक सार्वभौमिक मानक के रूप में उनका उपयोग करना संभव हो गया। 1884 से, ग्रीनविच समय, जिसे विश्व मानक माना जाता है, ने परमाणु घड़ियों के मानक को स्थान दिया है। 1967 में, वजन और माप के 12वें आम सम्मेलन के निर्णय से, एक सेकंड को 9192631770 विकिरण अवधियों की अवधि के रूप में परिभाषित किया गया था, जो कि सीज़ियम-133 परमाणु की जमीनी स्थिति के दो हाइपरफाइन स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप है। एक सेकंड की यह परिभाषा खगोलीय मापदंडों पर निर्भर नहीं करती है और इसे ग्रह पर कहीं भी पुन: प्रस्तुत किया जा सकता है। सीज़ियम-133, मानक परमाणु घड़ी में उपयोग किया जाता है, जो पृथ्वी पर 100% बहुतायत के साथ सीज़ियम का एकमात्र स्थिर समस्थानिक है।

उपग्रह नेविगेशन प्रणाली में परमाणु घड़ियों का भी उपयोग किया जाता है; वे उपग्रह के सटीक समय और निर्देशांक निर्धारित करने के लिए आवश्यक हैं। इस प्रकार, जीपीएस सिस्टम के प्रत्येक उपग्रह में ऐसी घड़ियों के चार सेट होते हैं: दो रुबिडियम और दो सीज़ियम, जो 50 नैनोसेकंड की सिग्नल ट्रांसमिशन सटीकता प्रदान करते हैं। ग्लोनास प्रणाली के रूसी उपग्रहों में सीज़ियम और रुबिडियम परमाणु समय मापने के उपकरण भी हैं, और सामने आने वाले यूरोपीय जियोपोज़िशनिंग सिस्टम गैलीलियो के उपग्रह हाइड्रोजन और रूबिडियम से लैस हैं।

हाइड्रोजन घड़ियों की शुद्धता सबसे अधिक होती है। यह 12 घंटे में 0.45 नैनोसेकंड है। जाहिरा तौर पर, गैलीलियो द्वारा ऐसी सटीक घड़ियों का उपयोग इस नेविगेशन प्रणाली को 2015 में सामने लाएगा, जब इसके 18 उपग्रह कक्षा में होंगे।

कॉम्पैक्ट परमाणु घड़ी

Hewlett-Packard कॉम्पैक्ट परमाणु घड़ी विकसित करने वाली पहली कंपनी थी। 1964 में, उन्होंने एक बड़े सूटकेस के आकार का HP 5060A सीज़ियम उपकरण बनाया। कंपनी ने इस दिशा को विकसित करना जारी रखा, लेकिन 2005 के बाद से उसने अपने परमाणु घड़ी प्रभाग को सिमेट्रिकॉम को बेच दिया।

2011 में, ड्रेपर लेबोरेटरीज और सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज ने विकसित किया और सिमेट्रिकॉम ने पहली क्वांटम लघु परमाणु घड़ी जारी की। रिहाई के समय, उनकी कीमत लगभग 15 हजार डॉलर थी, एक सीलबंद मामले में 40 गुणा 35 गुणा 11 मिलीमीटर और वजन 35 ग्राम था। घड़ी की बिजली खपत 120 मिलीवाट से कम थी। प्रारंभ में, वे पेंटागन के आदेश से विकसित किए गए थे और उनका उद्देश्य नेविगेशन सिस्टम की सेवा करना था जो जीपीएस सिस्टम से स्वतंत्र रूप से कार्य करता है, उदाहरण के लिए, गहरे पानी या जमीन के नीचे।

पहले से ही 2013 के अंत में, अमेरिकी कंपनी बाथिस हवाई ने पहली "कलाई" परमाणु घड़ी पेश की। वे मुख्य घटक के रूप में सिमेट्रिकॉम द्वारा निर्मित SA.45s चिप का उपयोग करते हैं। चिप के अंदर सीज़ियम-133 युक्त एक कैप्सूल होता है। घड़ी के डिजाइन में फोटोकल्स और एक कम-शक्ति वाला लेजर भी शामिल है। उत्तरार्द्ध गैसीय सीज़ियम का ताप प्रदान करता है, जिसके परिणामस्वरूप इसके परमाणु एक ऊर्जा स्तर से दूसरे में जाने लगते हैं। ऐसे संक्रमण को ठीक करके ही समय का मापन किया जाता है। नए डिवाइस की कीमत करीब 12 हजार डॉलर है।

लघुकरण, स्वायत्तता और सटीकता की ओर रुझान इस तथ्य की ओर ले जाएगा कि निकट भविष्य में मानव जीवन के सभी क्षेत्रों में परमाणु घड़ियों का उपयोग करने वाले नए उपकरण होंगे, उपग्रहों और स्टेशनों की परिक्रमा पर अंतरिक्ष अनुसंधान से लेकर इनडोर और कलाई प्रणालियों में घरेलू अनुप्रयोगों तक।