1、,Key Laboratory for Optical and Magnetic Resonance Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai,时间、频率和原子钟(原子物理学的重要应用),陈扬骎,时间的重要性,时间和频率的关系,时间和频率互为倒数关系。,时间的计量：采用物体的周期规律运动作为计时基准，有一个时间的起点以及对时刻的累计。,时间计量的发展史,自从远古时期，人类就根据日落日出制成日晷来进行计时，这是以地球自转的周期规律运动作为基准。它的稳定度大致为：,除此之外，还可以利用烧香、刻漏等方法来计时。,中国古代人们使用的日晷,
2、天津理工大学,上海浦东 现代的日晷,天文测时：通过天文观察，天空中星星的位置是精确知道的。如果把地球当作一个大钟，天上的星星就好比钟面上钟点的数字。这就是为什么各国天文台承担授时任务。 我国的授时中心：中国科学院陕西天文台,17世纪发明了机械钟表：,利用机械摆的运动规律制成计时钟和表。稳定度为：,20世纪由于电子学的发展：,发明了基于电子振荡器的钟表，例如高稳定度的石英晶体振荡器，它的稳定度可达： （30年差一秒）,20世纪50年代发展了高精度的原子钟,原子钟是利用原子跃迁譜线作为频率基准（微波频率109Hz)，这个基准是源于原子的内禀特性，因此受外界影响小，稳定度和精度高，到目前为止仍然是国
3、际上时间计量的主要工具。如銫钟、铷钟和氢钟等。,最近20多年中，原子钟的发展：,基于孤立原子（或离子）发展起来的原子钟：1，采用离子囚禁的方法离子阱式的原子钟。2，采用激光冷却技术实现的冷原子喷泉钟。,采用频率更高的原子分子跃迁频率作为基准：高稳定度的光频原子分子钟的研究。,同时，也发展了连接光频率(1014Hz)和微波频率 (109Hz)高稳定度的光梳（Optical Comb)。,时间的概念,人类第一次有公定的时间基准是在19世纪末，以地球自转周期为依据，确定统一的计时系统，称为世界时：(Universal Time，简称UT时）。,1884年国际经度会议决定，把经过英国格林威治(Gree
4、nwich)的经线为本初子午线（即零子午线），当它处于天顶时为零时，即每天的起始时是从格林威治开始。,1896年对UT时的秒长作了定义：规定平均太阳每二次经过同一子午线的时间间隔为一平太阳日，平太阳日的86400分之一定义为一平太阳秒。（真太阳的运动极不规律，日长最多可差51秒。）,潮汐摩擦使地球自转有变慢的趋势。 地球内部物质移动引起转动惯量的变 化，使自转速度不规律。 季节引起地球表面气团的变化，引起地球自转的季节性变化。 地球转轴的摆动。,UT时不均匀的原因,1955年国际时间局(BIH)对UT时进行修正：分别对地极的移动和季节性变化作了修正，得到UT1和UT2时，但是它的精度只能达到1
5、0-8。如果一直沿用世界时，二千年后的累计误差可以达到2小时。,历书时(Ephemeris Time，简称ET时）是采用以地球公转为基础的计时系统。它规定：1900年回归年长度的31556925.9747分之一为一个历书时秒，86400个历书时秒为一个历书时日。历书时可以很均匀，稳定度可达10-9，但是需要四年对月亮的天文观测，因此测量时间长，难以高精度地复现，使历书时的实用性降低。,1960年国际时间局提出历书时,1953年世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学研制成功，原子钟发明后，人们提出原子时(Atomic Time，简称AT时），它是一种自然基准，具有很高的稳定度、准确度和复现率，使用
6、方便。,原子时的提出,1967年10月在印度新德里召开的第十三届国际计量大会决定采用自由Cs原子基态超精细结构分裂的00跃迁辐射的9192631770个周期为一个原子时秒(ATS)，并规定原子时的起点为1958年1月0日UT2零时开始。,原子时（AT）的定义,原子时非常均匀稳定，世界时则有不规则的变化和长期变慢的趋势，这样随时间的增长，二者差异越来越大，仅从1958年到1971年，世界时的时刻就落后原子时近10秒。,矛盾：科学研究要求稳定的原子时，人类的活动习惯于世界时。,？,协调时是一种授时方案，或者说是一种时间服务方法。它规定秒长严格按照原子时设置，只是在时刻上保持与世界时之差不大于0.9
7、秒。如果超过0.9秒，在规定的时间内跳动一整秒称为闰秒。协调时是一种用闰秒方法来迁就世界时时刻的特殊原子时。,协调世界时(UTC)的提出,2005年7月4日，国际地球自转服务组织（IERS)发布C公报，协调世界时（UTC）将在2005年底实施闰秒，所有时钟将拨慢一秒。,相应地，北京时间：7时59分59秒（2006年1月1日）7时59分60秒（2006年1月1日）8时00分00秒（2006年1月1日）,原子时间频率标准的工作原理图,原子束型（Atomic beam）原子钟 激射型（Maser）原子钟 光抽运型(Optical Pumping) 原子钟冷原子喷泉（Fountain）原子钟,原子钟（
8、微波频率段）的主要类型,原子束的历史,斯特恩 O.Stern （美国 1888-1969） 1943年 诺贝尔物理奖 开发原子束方法及对原子磁矩的测量,拉比 I.I.Rabi （美国 1898-1988) 1944年诺贝尔物理奖 发明了测量原子核磁性质的核磁共振法,拉姆齐 N.F. Ramsey （美国 1915- )1989年诺贝尔物理奖 Ramsey 共振型的原子束及Cs原子钟,原子能级的形成,我们将原子外围的电子（N个）逐一填入原子轨道，从最低轨道开始填充，构成原子的电子组态(configuration)。对于l 轨道，可以填充2(2l+1)个电子。,原子的电子组态,n=1 1s 2个电
9、子 n=2 2s 2p 8个电子 n=3 3s 3p 3d 18个电子 n=4 4s 4p 4d 4f 32个电子 n=5 5s 5p 5d 5f 5g 50个电子,例如：Na原子(z=11) 1s22s22p63s 基态 32S1/2,由电子组态确定能级谱项,能级的确定可以通过角动量耦合理论来获得。对于较轻的原子采样 LS 耦合，对于较重的原子采样 JJ 耦合。对于同科原子（nl 相同）需要考虑泡利不相容原理。,举例,只要考虑二个p电子的角动量耦合：L=2，1，0 （即可形成D，P，S态），考虑自旋的耦合有 1D，1P，1S，3D，3P，3S 六个态，但由于是同科电子，还要考虑泡利不相容原理
10、，最后形成：1D, 3P, 1S 三个态。L+S=偶数时 就满足泡利不相容原理,C原子（z=6），电子组态为 1s22s22p2,Hund规则,1，在LS耦合情况下，最高多重态(2S+1)处于最低能级。,2，相同多重态的谱项中最大L项处于最低。,C原子能级：1S22S22P2组态,考虑原子最低能级的方法,采样图形法，画出 2l+1 个方格，每格代表ml值，依次填入电子，得到 mL=ml值和mS=ms 值，即可得到基态的 L 和 S 值。,举例,N原子： z=7，电子组态 1s22s22p3,li=1,mL= 0 mS=31/2=3/2,ml= 1 0 -1,N原子的基态能级为 4So (上标o
11、代表奇态）,原子能级的宇称特性,能级的宇称特（paraty）性由下式决定：（是对所有电子的L量子数相加）,选择定则：偶宇称能级只能跃迁到奇宇称能级。,N原子： 1s22s22p3 组态形成的能级应为奇宇称。,举例,氟（F）原子的电子组态 1s22s22p5,li=1,ml = 1 0 -1,F原子的基态为： 2P3/2 （奇态）,举例,镱原子(Yb) 基态的电子组态为 Xe4f146s2,基态为 1S0,Yb的激发态电子组态为 Xe4f146s6p,激发态为 3Po,原子的超精细结构,超精细结构来源于原子核磁矩和价电子产生的磁场之间的相互作用，相互作用的哈密顿量为：,原子核的磁矩,原子核的磁矩
12、与核自旋角动量之间不存在简单关系，我们可以用 g 因子(Lande-g)来描述：,其中 N 是核磁子， B/1840。,原子超精细结构能级,采用微扰处理：,超精细结构的能级：,超精细能级结构的间隔,相邻超精细能级间隔：,朗道间隔原理,弱场中超精细结构的塞曼效应,塞曼能级,gF 是超精细能级的 g 因子， B是玻尔磁子，B是外磁场。,gF 的表达式,通过矢量耦合可以求出：,gF 的近似表达式,由于m/M1，gF 可以表示为：,其中,举例,87Rb 原子基态52S1/2，I=3/2，在弱场下的能级为：,强场中的塞曼效应,强场中 J 和 I 要产生退耦效应，即产生帕郉 贝克效应 (Paschen-B
13、ack)，I 和 J 不再耦合成 F，而是各自绕外场进动。,进动的示意图,Cs133原子在弱磁场中的能级图,00跃迁的塞曼效应,00跃迁不存在一级塞曼效应，具有二级塞曼效应，由Breit-Rabi公式可得，例如Cs 原子：,磁场B的单位为高斯(gauss)，地磁场为0.5g， 产生的频移为100Hz，频率不稳定度为108。,f0-0,Paschen-Back效应,(I=7/2),+,-,铯原子（Cs133）在强场中的能级图,Cs atomic clock can realize the SI second with an uncertainty of a few 10-13 s. They a
14、re used for navigation, geodesy, space exploration, telecommunications and basic research.,Schematic diagram of Cs atomic clock,Cs atomic clock in NRC of Canada,NBS的Cs束频率标准,Atomic clock hall of PTB (Germeny),小型化Cs束原子钟（1986年）HP公司,Cs束型原子钟的特点： 1，Cs原子在束中处于无碰撞状态，因此Cs束型频标可以作为一级标准(Primary Standard)，广泛地应用于各
15、国和国际间的守时和报时的时间标准。 2，探测灵敏度高采用Cs原子的离化检测技术。 3，由于采用了Ramsay型的微波腔，跃迁譜线线宽非常窄，即Q值很高。,Cs原子钟采用的Ramsay微波腔,Cs束型频标在9192MHz上的线宽可达到10Hz左右，也即跃迁譜线的Q值为：目前Cs束型频标的稳定度可达：,G.H.Townes N.G.Basov A.M.Prokhorov,The Nobel Prize in Physics 1964 for the Invent of Maser,MASER-Microwave Amplification by Stimulated Emission of Rad
16、ation, is just the predecessor of LASER in the microwave region.,Maser脉泽（微波激射器）,1953年是时频科学的一个新里程碑，美国哥伦比亚大学C.H.Townes及其助手（包括一位中国科学家王天眷教授）发明了第一台基于微波激射器的氨分子钟。1960年N.F.Ramsay发明了世界上第一台氢原子微波激射器，在此基础上实现了氢原子钟，稳定度可达10-15。,氢Maser型原子钟的示意图,H maser clock （氢原子钟）,氢储存泡,微波腔,磁屏蔽和 磁场线圈,真空系统,H maser atomic clock (RH401
17、A) in Japan,The Nobel Prize in Physics 1966 Alfred Kastler for his contribution in Optical Pumping and Optical-Magnetic Resonance.,Rb铷原子能级图,光抽运型铷原子钟的原理图,光谱分布图,光抽运型铷原子钟 工作原理图,Experimental apparatus of Rb maser atomic clock,Rb atomic maser,小型化的铷(Rb)原子钟,铷原子钟的最大特点是可以小型化，可以作为搬运钟实现各地之间的时间同步。,Portable atom
18、ic clock,中国科学院武汉物理所王天眷教授,The Noble Prize in Physics 1989,Contribution for ion trap (离子阱）,W.Paul (Bonn U.),H.G.Dehmelt (Washington U.),Construction of ion trap （Paul型的 离子阱）,离子阱装置的示意图,离子阱的外形图,美国NIST的199Hg+ 离子阱钟（Paul trap），可以在 40 GHz微波频率或 1.07 x 1015 Hz的光频率上工作,离子阱可以囚禁离子，但是离子在阱内小范围中作高频（几十MHz GHz）高速的振荡运动
19、，并非是完全静止的，即仍然存在热运动。例如氢分子(H2)：室温下（300K）的热运动速度为1100m/s温度降低到3K时的热运动速度为110m/s温度降低到30nK时的热运动速度为1.1cm/s,The Nobel Prize in Physics 1997 激光冷却原子的工作,Steven Chu C.Cohen-Tannoudji W.D.Phillips,电磁波（或光波）对原子的作用力：原子在电磁波作用下，产生诱导电偶极矩，作用能为：如果原子处于不均匀电场中，梯度场将给予原子一个机械力：,散射力：偶极力：,利用激光通过散射力和偶极力可以对原子进行减速，使原子速度分布变窄，平移温度要降低
20、激光对原子的减速（或致冷）。,采用与原子运动相对的方向照射激光，因为考虑多普勒效应，激光频率须略低于原子的共振频率：,原子在减速过程中，多普勒频移在不断地变化，要求激光的频率也随之而变，可以采用以下方法： 采用频率扫描的激光束。 采用梯度磁场，连续改变原子的跃迁频率。 还要克服光抽运效应。,一维激光减速会引起原子横向速度的增加，即横向加热效应。贝尔实验室的朱棣文首先采用六束激光把Na原子限制在0.2cm3的小区域中，形成光学粘团(Optical Molasses)，原子的温度可以达到T=240K。,激光原子阱 （Laser Trap)：利用光场对原子造成特殊势能区（势阱），动能小于一定值的原子
21、可以被捕获在阱中，并以一定规律运动。最常用的是磁光阱 (Magneto-Optical Trap，简称MOT）。,NIST F1 Cs fountain atomic clock (铯原子喷泉钟）,Cs fountain atomic clock,美国国家标准技术研究所的铯原子喷泉钟,NIST- F1 Cs fountain Primary standard for U.S.A,Rb fountain(韩国）,Cs fountain in National Measurement Laboratory of UK,NIST原子钟稳定度的发展,中国科学院国家授时中心（陕西天文台）承担国家的授时任
22、务，保持着我国高精度的原子时基准，负责目前由陕西天文台(CSAO)、上海天文台(SO)、北京天文台(BAO)、测量与地球物理研究所武昌时辰站(WT0)和北京无线电计量测试研究所(BIRM)共同组成的我国综合原子时TA(JATC)的归算工作，通过专用长、短波授时台发播我国的标准时间与标准频率信号。中央电视台在广播卫星转发电视信号时插入时间信号。,时间的发布,时间信息的传递,短波传递（我国呼号：BPM)，有专用的信道 长波传递（我国呼号：BPL） 低频时码（我国呼号：BPC） 导航卫星（美国GPS、欧州伽利略） 通讯卫星（卫星电视比对） 电话网络（国家授时中心、中国计量科学院） 计算机网络（国家授
23、时中心、中国计量科学院） 飞机搬运钟（现在已较少采用）,时间信号的接收,短波接收机（专用短波接收机） 长波接收机（美国罗兰C接收机） 低频时码接收机（电波钟、电波表等） GPS卫星接收机 网络时间同步服务器,罗兰C导航与授时系统,长波：100kHz的载波由一个主台和若干个副台组成罗兰C链，主台由美国海军天文台（USNO）的主钟控制，采用相位编码多脉冲发射方法和相关检测技术，具有授时能力。,罗兰C (Loran-C)接收机,罗兰C长波时间信号,目前时间频率标准向更高的基准频率 光频率发展，光波频率（1014Hz)比微波频率（109Hz)要高五个数量级。这就意味着可以把一秒的时间间隔分隔得更精细，
24、因此采用光频率标准可望获得更高得精确度。,光学频率标准,光频率标准的优点,一个理想的稳频激光器的频率稳定度：, 为平均时间，光频率标准的Q值比微波频率标准的Q值高5个数量级，光学频率标准取代微波频率标准是必然的趋势。,实现光频率标准的难点,1，没有任何电子设备可以直接测量光频率。,2，在光波段上只有少数间断的标准频率点。,3，如何与现有的微波频率标准联系。,俄罗斯I2稳频Nd:YAG激光器 532nm光学频率标准,光学频率标准的原理图,I2稳频YAG激光器的频率稳定度,冷原子系统的频率标准,英国国家物理实验室离子阱光钟方案,光频率与微波频率相差105Hz得量级，如何将这两个基准联系起来呢？,光
25、频率链,利用稳频激光器结合非线性光学原理以及伺服锁相技术将光频率逐级锁定至銫钟的频率。,系统庞大、复杂，耗资巨大，国际上只有少数实验室可以开展这项工作。,The Nobel Prize in Physics 2005,R.J.Glauber 光相干量子理论,J.L.Hall,T.W.Hansch,精密光谱和光梳,研究组庆祝 Hansch 获得2005年诺贝尔物理奖,Ultra-fast laser:Mode-Locking Laser (fs laser),According to the uncertainty principle,S.T.Cundiff et. Al., Rev. Sci.
26、 Instrum., Vol.72, No.10, P.3749 (2001),光频与微波频率的联系 S.A.Diddams, PRL V.84,N.22,P.5102（2000）,光梳与微波频率的联系,利用光梳测量光频,华东师范大学光谱学与波谱学实验室的光梳,1，在计量科学方面的应用。 2，在导航方面的应用。 3，在基础科学研究方面的应用。,原子钟的应用,原子时间频率标准在计量科学方面的应用：在计量学上，物理量的基准从人工实物基准转向自然基准。时间和频率是目前精度最高的自然基准，准确度优于10-13，稳定度优于10-15。如果能将其它物理量与时间频率联系起来，就能使这些物理量实现自然基准化，
27、并大大提高基准的精度。,长度的基准：1889年第一届国际计量大会上规定了保存在巴黎国际计量局地下室中的铂依合金米原器的两端刻线的间距为一米(温度为0oC)。1927年第七届国际计量大会上又对米定义作了严格的规定。,1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了更改：米的长度等于氪(86Kr)原子的2P1/2和2D1/2能级间跃迁的辐射在真空中的波长(605.8nm)的1650763.73倍。,1983年第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义：“米是299792458分之一秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”,电压的基准：电压的基准可以和时间联系起来，实现电学量的自然基准化。联系的桥梁是约瑟夫
28、逊效应：,将一确定数值的频率加在约瑟夫逊器件上就可以获得标准电压，这种方法比标准电池提供的电压精度要高三个数量级。,原子钟在导航方面的应用：导航系统离不开精确的时间基准。例如，无线电导航系统是利用恒定速度传播的原理来进行定位。电磁波的传播速度为3108米/秒，因此1s的时间误差会导致300米的定位误差。,圆双曲线导航系统,A,B,C,O,园双曲导航系统,全球定位系统 (Global Positioning system，简称GPS系统）1973年美国国防部提出GPS的概念，建造24颗卫星，使地球上任意一点都可以与其中的四颗卫星保持联系，每颗卫星持续发射其位置和时间的信号，GPS接收机接收这些信
29、号，并与自身的时间进行比较，就可以精确定位，定位精度（包括经度、纬度和高度）可以达到几米至几十米范围。显然，这要求GPS卫星和接收机上都配备有高精度的时间频率标准。,1993年完成24颗卫星的发射，建立了GPS系统。,便携式GPS接收机,原子钟在甚长基线干涉仪(Very Long Baseline Interferometry)上的应用甚长基线干涉仪是用于对天体中的射电源进行观测的仪器，采用多个独立的射电天文望远镜构成，望远镜的距离即为基线的距离，要使测量的信号产生相干，望远镜的测量时间必须完全同步。,大型射电天文望远镜，直径为46米,长基线干涉仪的原理图,甚长基线干涉仪的分辨率长基线干涉仪的
30、分辨率取决于基线的长度。例如基线长度为6000km，采用波长为6米射频源来观测，可以获得0.0006”的角度分辨率。这相当于看6km以外的一张邮票的张角。分辨率的提高使天文学家可以对射电源更小的组分进行细致的研究。,甚长基线干涉仪原理图,对狭义相对论和广义相对论的验证（时钟疑难问题、重力红移问题等）。 物理学长数随时间的变化（里德堡常数的精确测定等）。,原子钟在基础研究中的应用,时钟疑难问题,由狭义相对论：,问题的复杂性：1，地球不是理想的惯性参照系。2，涉及到引力场的作用广义相对论。,考虑到地球的自转：,为地球自转角速度， R为地球半径。,广义相对论由于引力场的作用导致重力红移：,g重力加速度，h高度，由于重力红移，使高空中的钟比地面的钟走得慢。,1971年美国Haefele为了验证时钟疑难问题，用飞机携带原子钟，从东向西飞行以及从西向东飞行，同时与地面原子钟进行比较。,原子钟在其它方面的应用：通讯技术中的应用。 空间技术方面的应用。 电磁波传播特性的研究。 时刻传递方面的应用。,Thank you！ 谢谢！,
