Come funziona un orologio atomico al cesio pratico?
Ciao! Oggi voglio parlarti dell’incredibile mondo degli orologi atomici. Sai, le particelle degli atomi hanno delle frequenze di oscillazione caratteristiche, e una delle più famose è quella che fa sì che il sodio nel sale da tavola emetta una luce arancione quando viene spruzzato su una fiamma. Questa è solo una delle tante frequenze che gli atomi possono avere, alcune sono nell’intervallo delle onde radio, altre nel campo dello spettro visibile e altre ancora si trovano tra questi due estremi.
Ma oggi voglio concentrarmi sul cesio 133, l’elemento più comunemente scelto per realizzare gli orologi atomici. Per creare un orologio atomico a partire dalla risonanza atomica del cesio, è necessario misurare con estrema precisione una delle sue transizioni o frequenze di risonanza. Di solito si fa questo bloccando un oscillatore al cristallo sulla principale risonanza a microonde dell’atomo di cesio. Questo segnale si trova nel campo delle microonde nello spettro radio e, per caso, ha una frequenza simile ai segnali diretti dei satelliti televisivi.
Per creare un orologio atomico, si riscalda prima il cesio in modo che gli atomi fuoriescano e passino lungo un tubo mantenuto a vuoto. Prima passano attraverso un campo magnetico che seleziona gli atomi dello stato energetico corretto; poi passano attraverso un intenso campo a microonde. La frequenza dell’energia a microonde oscilla all’indietro e all’indietro entro un intervallo ristretto di frequenze, in modo che in qualche punto di ciascun ciclo attraversi la frequenza esatta di 9.192.631.770 Hertz (Hz, o cicli al secondo). Il generatore a microonde è già vicino a questa frequenza esatta, in quanto proviene da un oscillatore al cristallo preciso.
Quando un atomo di cesio riceve energia a microonde esattamente alla giusta frequenza, cambia il suo stato energetico. Alla fine del tubo, un altro campo magnetico separa gli atomi che hanno cambiato il loro stato energetico se il campo a microonde era esattamente alla frequenza corretta. Un rilevatore alla fine del tubo fornisce un’uscita proporzionale al numero di atomi di cesio che lo colpiscono, e quindi si hanno picchi di uscita quando la frequenza delle microonde è esattamente corretta. Questo picco viene quindi utilizzato per apportare la leggera correzione necessaria per portare l’oscillatore al cristallo e quindi il campo a microonde esattamente alla frequenza desiderata. Questa frequenza bloccata viene quindi divisa per 9.192.631.770 per fornire il familiare impulso al secondo richiesto dal mondo reale.
Studiare il funzionamento di questi orologi atomici è emozionante, perché permette di scoprire le meraviglie del mondo a livello atomico e di apprezzare l’ingegno umano nella creazione di strumenti così sofisticati. Ma il vero fascino sta nella precisione estrema con cui questi orologi operano, consentendo di misurare il tempo con una precisione incredibile, una scoperta che ci fa capire quanto sia affascinante e misterioso il mondo che ci circonda.