Un orologio atomico è un orologio speciale che è in grado di tenere il tempo con estrema precisione. Lo fa raccogliendo segnali radio da varie stazioni in tutto il mondo. Questi segnali contengono informazioni sulla velocità di vibrazione degli atomi in ogni stazione, e l’orologio atomico usa queste informazioni per regolare le proprie vibrazioni fino a farle corrispondere alla frequenza del segnale.
I principali vantaggi di un orologio atomico sono che non ha mai bisogno di essere regolato e quindi non può diventare impreciso nel tempo, ed è più preciso di qualsiasi altro tipo di orologio, anche quelli con cristalli di quarzo o molle. Gli svantaggi sono che un orologio atomico tende ad essere più costoso di altri tipi di orologi e che non sono portatili.
Gli orologi atomici sono i dispositivi di misurazione del tempo più precisi al mondo. Tengono il tempo misurando le oscillazioni naturali degli atomi, in particolare del cesio o del rubidio. La precisione di un orologio atomico si misura in secondi al giorno, o in parti su 10^16.
Gli orologi atomici sono usati per impostare il Tempo Universale Coordinato (UTC), che è lo standard temporale con cui sono impostati tutti gli altri fusi orari nel mondo. Per accordo internazionale, UTC è basato sul Tempo Atomico Internazionale (TAI), che è mantenuto entro 0,9 secondi del tempo atomico da secondi bisestili aggiunti a intervalli irregolari per tenere conto delle variazioni nella rotazione della Terra rispetto alla sua orbita intorno al Sole.
Gli orologi atomici sono anche usati come standard di frequenza per i sistemi di telecomunicazione come le trasmissioni radio e televisive. I segnali radio che portano queste trasmissioni in tutto il mondo sono in realtà onde elettromagnetiche che si basano su precise oscillazioni degli elettroni negli atomi per trasportare le loro informazioni attraverso lo spazio – e quindi hanno bisogno di segnali di temporizzazione molto accurati se devono funzionare correttamente.
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Un orologio atomico è un dispositivo che misura il tempo contando le oscillazioni degli atomi che sono stati eccitati da una reazione nucleare controllata. La frequenza di queste oscillazioni è conosciuta come la frequenza naturale dell’atomo, che può essere usata per misurare il tempo. Un tipico orologio atomico consiste in un forno contenente un isotopo instabile e un rilevatore altamente sensibile.
La frequenza della radiazione emessa dal forno controlla quanto spesso il rivelatore misura la frequenza della luce o di altre radiazioni elettromagnetiche a cui è esposto. Questo gli permette di individuare la frequenza naturale dell’isotopo eccitato e di misurarne la temperatura.
Gli orologi atomici sono estremamente accurati, con alcuni tipi in grado di mantenere il tempo entro una frazione di secondo per decenni. Sono usati in molte applicazioni dove è richiesto un tempo preciso, come i sistemi di navigazione e gli esperimenti scientifici.
Come funzionano?
Gli atomi sono composti da protoni, neutroni ed elettroni legati insieme da forze elettriche. Quando un atomo viene riscaldato abbastanza, alcuni elettroni si spostano dalle loro orbite normali intorno al nucleo verso orbite più alte dove possono assorbire più energia dai fotoni nel loro ambiente
Un orologio atomico utilizza le oscillazioni degli atomi per tenere il tempo. Sono più precisi degli orologi meccanici e non hanno bisogno di essere caricati. Molti orologi da polso e smartphone di fascia alta li utilizzano, ma sono disponibili anche modelli da tavolo.
Il tipo più comune di orologio atomico è chiamato orologio a fontana di cesio perché utilizza le oscillazioni degli atomi di cesio per tenere il tempo. Questi orologi possono misurare il tempo con una precisione di 1 secondo per 300 milioni di anni. Non hanno parti mobili, quindi non sono influenzati dai cambiamenti di temperatura o umidità. L’unica cosa che può influenzarli è l’interferenza magnetica da forti fonti elettromagnetiche come telefoni cellulari, microonde e anche monitor di computer.
Un orologio atomico a fontana di cesio è composto da quattro parti principali:
Il forno riscalda un campione puro di cesio fino a vaporizzarlo a circa 100 gradi Celsius (212 gradi Fahrenheit). Il gas vaporizzato scorre attraverso un tubo in un contenitore dove vengono misurate le sue oscillazioni. Questo processo viene ripetuto più e più volte fino a quando una nuova lettura viene presa ogni 10 microsecondi (10 milionesimi di secondo).
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Un orologio atomico è un orologio che usa un oscillatore elettronico regolato da un raggio atomico di cesio o rubidio per tenere il tempo. I primi orologi atomici sono stati costruiti nel 1949 al National Physical Laboratory (NPL) nel Regno Unito e all’Osservatorio Navale degli Stati Uniti.
Gli orologi atomici sono così precisi perché non sono influenzati dalle variazioni di temperatura, pressione o gravità, che possono influenzare il tasso dei tradizionali orologi regolati a pendolo. Oltre a tenere il tempo, questi dispositivi sono usati per calibrare altri orologi e strumenti di misurazione del tempo, così come per eseguire ricerche scientifiche.
Il fatto che un orologio atomico usi un oscillatore elettronico invece dei pendoli significa che è più accurato dei tradizionali orologi meccanici. L’oscillatore elettronico in un orologio atomico è regolato da atomi di cesio o rubidio che assorbono ed emettono energia a frequenze molto specifiche. Uno standard temporale basato su questa frequenza è chiamato “standard di frequenza”.
Gli orologi atomici sono stati usati dal 1949, quando la NPL ha costruito un prototipo chiamato Larmor Clock No. 1 (LC1). LC1 era in grado di tenere il tempo entro 0,03 secondi al giorno – circa quanto sarebbe stato possibile per qualsiasi orologio meccanico mai costruito!
Gli orologi atomici sono gli orologi più precisi oggi disponibili, ma sono anche alcuni dei più costosi. Il costo è dovuto alla complessità della tecnologia utilizzata per realizzarli.
Ci sono due tipi principali di orologi atomici: cesio e rubidio. Entrambi sono estremamente accurati se paragonati ad altri tipi di orologi, ma hanno differenze nel loro funzionamento.
Orologio atomico al cesio
Un orologio atomico al cesio usa un atomo di cesio come pendolo. La frequenza dell’atomo è controllata da un campo elettrico che gli viene applicato dall’esterno della camera a vuoto.
Orologio atomico al rubidio
Un orologio atomico al rubidio usa un atomo di rubidio come pendolo. La frequenza dell’atomo è controllata da un campo elettrico che gli viene applicato dall’esterno della camera a vuoto.
La differenza principale tra questi due tipi di orologi è come misurano il tempo. In un orologio atomico al cesio, si misura la frequenza di un fascio di microonde che interagisce con gli atomi di cesio per misurare il tempo necessario a farli vibrare avanti e indietro una volta (1 secondo). In un orologio atomico al rubidio, si misura quanto tempo impiega uno dei tuoi atomi di rubidio a vibrare avanti e indietro una volta (un secondo).
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