El estándar de cesio es un estándar de frecuencia primario en el que la absorción de fotones por transiciones entre los dos estados fundamentales hiperfinos de los átomos de cesio-133 se utiliza para controlar la frecuencia de salida. El primer reloj de cesio fue construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. [1] y promovido a nivel mundial por Gernot MR Winkler del Observatorio Naval de los Estados Unidos .
Los relojes atómicos de cesio son uno de los estándares de tiempo y frecuencia más precisos y sirven como estándar principal para la definición del segundo en el Sistema Internacional de Unidades (SI) (la forma moderna del sistema métrico ). Por definición, la radiación producida por la transición entre los dos estados fundamentales hiperfinos del cesio (en ausencia de influencias externas como el campo magnético de la Tierra) tiene una frecuencia, Δ ν Cs , de exactamente9 192 631 770 Hz . Ese valor se eligió de modo que el segundo de cesio igualara, hasta el límite de la capacidad de medición humana en 1960 cuando se adoptó, el segundo estándar de efemérides existente basado en la órbita de la Tierra alrededor del Sol . [2] Debido a que ninguna otra medición que involucrara tiempo había sido tan precisa, el efecto del cambio fue menor que la incertidumbre experimental de todas las mediciones existentes.
Si bien la segunda es la única unidad base que se define explícitamente en términos del estándar de cesio, la mayoría de las unidades SI tienen definiciones que mencionan la segunda u otras unidades definidas utilizando la segunda. En consecuencia, cada unidad base excepto el mol y cada unidad derivada denominada culombio, ohmio, siemens, weber, gray, sievert, radian y estereorradián tienen valores que están implícitamente definidos por las propiedades de la radiación de transición hiperfina de cesio-133. Y de estos, todos menos el mol, el coulomb y los radianes y estereorradián adimensionales están implícitamente definidos por las propiedades generales de la radiación electromagnética.
La definición oficial del segundo fue dada por primera vez por el BIPM en la 13ª Conferencia General de Pesos y Medidas en 1967 como: " El segundo es la duración del9 192 631 770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. " En su reunión de 1997, el BIPM añadió a la definición anterior la siguiente especificación: " Esta definición se refiere a un átomo de cesio en reposo a una temperatura de 0 K. " [3]
El BIPM reformuló esta definición en su 26a conferencia (2018), " La segunda se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia de cesio ∆Cs, la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133, como 9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s –1 . " [4]
El significado de la definición anterior es el siguiente. El átomo de cesio tiene un estado electrónico en estado fundamental con configuración [Xe] 6s 1 y, en consecuencia, símbolo del término atómico 2 S 1/2 . Esto significa que hay un electrón desapareado y el espín electrónico total del átomo es 1/2. Además, el núcleo de cesio-133 tiene un espín nuclear igual a 7/2. La presencia simultánea de espín electrónico y espín nuclear conduce, mediante un mecanismo llamado interacción hiperfina , a una (pequeña) división de todos los niveles de energía en dos subniveles. Uno de los subniveles corresponde a que el espín del electrón y del núcleo sea paralelo (es decir, apuntando en la misma dirección), lo que lleva a un espín total F igual a F = 7/2 + 1/2 = 4 ; el otro subnivel corresponde al espín nuclear y electrónico antiparalelo (es decir, apuntando en direcciones opuestas), lo que lleva a un espín total F = 7/2 − 1/2 = 3 . En el átomo de cesio sucede que el subnivel más bajo en energía es el que tiene F = 3 , mientras que el subnivel F = 4 se encuentra energéticamente ligeramente por encima. Cuando el átomo es irradiado con radiación electromagnética que tiene una energía correspondiente a la diferencia energética entre los dos subniveles, la radiación se absorbe y el átomo se excita, pasando del subnivel F = 3 al de F = 4 . Después de una pequeña fracción de segundo, el átomo volverá a emitir la radiación y volverá a su estado fundamental F = 3 . De la definición del segundo se deduce que la radiación en cuestión tiene una frecuencia exactamente9,192 631 77 GHz , correspondiente a una longitud de onda de unos 3,26 cm y, por tanto, perteneciente al rango de las microondas .
Esta resonancia de cesio particular fue acordada en la Convención del Metro y sigue siendo hasta el momento la definición oficial de segundo para la comunidad mundial.
Tenga en cuenta que una confusión común implica la conversión de frecuencia angular ( ) a frecuencia ( ), o viceversa. Las frecuencias angulares se dan convencionalmente como s –1 en la literatura científica, pero aquí las unidades significan implícitamente radianes por segundo. Por el contrario, la unidad Hz debe interpretarse como ciclos por segundo. La fórmula de conversión es , lo que implica que 1 Hz corresponde a una frecuencia angular de aproximadamente 6,28 radianes por segundo (o 6,28 s –1 donde por convención se omiten radianes por brevedad).
Supongamos que el estándar de cesio tiene los parámetros:
El primer conjunto de unidades definidas utilizando el estándar de cesio fueron las relativas al tiempo, siendo el segundo definido en 1967 como "la duración de 9.192.631.770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio". el átomo de cesio 133", lo que significa que:
Esto también vinculó las definiciones de las unidades derivadas relativas a la fuerza y la energía (ver más abajo) y del amperio, cuya definición en ese momento hacía referencia al newton, con el estándar de cesio. Antes de 1967, las unidades SI de tiempo y frecuencia se definían utilizando el año tropical y antes de 1960 mediante la duración del día solar medio [5]
En 1983, el metro fue definido, indirectamente, en términos del estándar de cesio con la definición formal "El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo. Esto implicaba :
Entre 1960 y 1983, el metro había sido definido por la longitud de onda de una frecuencia de transición diferente asociada al átomo de criptón 86 . Este tenía una frecuencia mucho más alta y una longitud de onda más corta que el estándar de cesio, y se encontraba dentro del espectro visible . La primera definición, utilizada entre 1889 y 1960, fue la de metro prototipo internacional . [6]
Tras la redefinición de las unidades básicas del SI en 2019 , se definió explícitamente que la radiación electromagnética, en general, tiene los parámetros exactos:
Se definió explícitamente que la radiación de transición hiperfina de cesio-133 tenía una frecuencia:
Aunque los valores anteriores para c y Δ ν Cs ya estaban obviamente implícitos en las definiciones de metro y segundo. Juntos implican:
En particular, la longitud de onda tiene un valor de tamaño bastante humano de aproximadamente 3,26 centímetros y la energía del fotón está sorprendentemente cerca de la energía cinética molecular promedio por grado de libertad por kelvin . De estos se deduce que:
Antes de la revisión, entre 1889 y 2019, la familia de unidades métricas (y más tarde SI) relacionadas con la masa, la fuerza y la energía estaban definidas de manera notoria por la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK), un objeto específico almacenado. en la sede de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en París , lo que significa que cualquier cambio en la masa de ese objeto habría resultado en un cambio en el tamaño del kilogramo y de muchas otras unidades cuyo valor en ese momento dependía de ese del kilogramo. [8]
Desde 1954 hasta 2019, las escalas de temperatura del SI se definieron utilizando el punto triple del agua y el cero absoluto . [9] La revisión de 2019 los reemplazó con un valor asignado para la constante de Boltzmann , k , de1,380 649 × 10 −23 J/K, lo que implica:
El mol es un número extremadamente grande de "entidades elementales" (es decir, átomos , moléculas , iones , etc). De 1969 a 2019, este número fue 0,012 × la relación de masa entre el IPK y un átomo de carbono 12 . [10] La revisión de 2019 simplificó esto asignando a la constante de Avogadro el valor exacto6.022 140 76 × 10 23 entidades elementales por mol, por lo que, única entre las unidades base, el mol mantuvo su independencia del estándar de cesio:
Antes de la revisión, el amperio se definía como la corriente necesaria para producir una fuerza entre 2 cables paralelos separados por 1 m de 0,2 μN por metro. La revisión de 2019 reemplazó esta definición dando a la carga del electrón , e , el valor exacto1,602 176 634 × 10 −19 culombios. De manera algo incongruente, el culombio todavía se considera una unidad derivada y el amperio una unidad base, y no al revés. [11] En cualquier caso, esta convención implicaba las siguientes relaciones exactas entre las unidades electromagnéticas del SI, la carga elemental y la radiación de transición hiperfina de cesio-133:
De 1967 a 1979 las unidades ópticas del SI, lumen, lux y candela, se definieron utilizando el brillo incandescente del platino en su punto de fusión. Después de 1979, la candela se definió como la intensidad luminosa de una fuente de luz visible monocromática de frecuencia 540 Thz (es decir6000/1.02140353la del estándar de cesio) y la intensidad radiante 1/683vatios por estereorradián. Esto vinculó la definición de candela al estándar de cesio y, hasta 2019, al IPK. A diferencia de las unidades de masa , energía , temperatura , cantidad de sustancia y electromagnetismo , las unidades ópticas no fueron redefinidas masivamente en 2019, aunque se vieron afectadas indirectamente, ya que sus valores dependen del vatio y, por tanto, del kilogramo. [12] La frecuencia utilizada para definir las unidades ópticas tiene los parámetros:
Esto implica:
Los parámetros de la radiación de transición hiperfina de cesio 133 expresados exactamente en unidades SI son:
Si las 7 unidades básicas del SI se expresan explícitamente en términos de las constantes que definen el SI, son:
En última instancia, 6 de las 7 unidades básicas tienen valores que dependen del de Δ ν Cs , que aparece con mucha más frecuencia que cualquiera de las otras constantes definitorias.
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