Elizabeth Amado Peña, Jeison Quiroga Universidad Nacional de

Elizabeth Amado Peña, Jeison Quiroga
Universidad Nacional de Colombia
Fundamentos de electricidad y magnetismo – Grupo 12
RELOJ ATÓMICO
William Thomson, físico y matemático británico, conocido como lord kelvin, sugirió en
el año de 1879 la idea de utilizar vibración atómica para medir intervalos de tiempo, lo
cual tan solo fue una idea, que gracias a Isidor Isaac Rabi (premio Nobel de Física en
1944) se convirtió en un método práctico. Isidor, a comienzos de la década de los 30, se
inicia en el campo de la Física Nuclear, con la investigación de los efectos de los
campos magnéticos sobre el núcleo o núcleos de las cargas, lo cual lo llevó al desarrollo
del método de resonancia magnética1, que permite el estudio de
las propiedades
magnéticas y la estructura de las moléculas, los átomos y los núcleos. Estos estudios
traen consigo una serie de aplicaciones para la resonancia magnética, como el LASER
(amplificación de luz por emisión estimulada de radiación)2, el MASER (amplificación
de microondas por emisión estimulada de radiación)3, la resonancia magnética médica,
y el reloj atómico.
Al principio de su desarrollo, tan solo fue construido un dispositivo MASER de
amoniaco en la NBS (oficina nacional de normas de EEUU, ahora nombrada NIST, que
significa instituto nacional de estándares y tecnología) por Willard Frank Libby4, que no
fue tan útil como se esperaba, y que no fue tomado como base de medida de tiempo
como lo había esperado lord Kelvin, ya que era menos exacto que los relojes de cuarzo.
Sin embargo, a pesar de la falta de exactitud de este primer reloj atómico, el principio se
comprobó, y por lo tanto se dio una base para su desarrollo futuro.
Louis Essen, físico de origen inglés, sería quien tomaría un camino mejor para la
medición del tiempo por vibraciones atómicas propuestas por lord Kelvin, tomado del
principio de resonancia magnética de Isidor, y probada por la NBS. Essen tomó el
1
La resonancia magnética es un método de diferentes aplicaciones donde se emplea un campo magnético
creado por un gran imán, consiguiendo la resonancia de los núcleos de sus átomos, recogiendo la energía
liberada en forma de señal.
2
[…es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada,
para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza
controlados.]- tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%A1ser
3
Similar al laser pero opera en frecuencias de micros en el espectro electromagnético, con señales muy
débiles.
4
Premio Nobel de Química en 1960 y profesor.
principio del reloj atómico propuesto con amoniaco, pero aseguró que el cesio sería
mucho más estable, y por tanto más preciso como un estándar de tiempo internacional.
En el año de 1955 Essen construye, con Jack Parry, el primer reloj atómico desarrollado
con los estándares del cesio, utilizando osciladores de cuarzo, el cual fue recibido como
un gran desarrollo para mediciones de tiempo, y una propuesta como estándar. Sin
embargo, no tuvo la misma aceptación en la reunión de la Unión Astronómica
Internacional en roma (1952), que adopta la escala de tiempo de efemérides5, propuesta
años atrás. A pesar de todo esto, Essen busca la forma de usar el cesio para redefinir el
segundo, y es solo hasta 1967 (7 años después de definir el segundo como unidad del
sistema internacional), donde mide con precisión un segundo, y el cesio se nombra
como nueva referencia para este.
La calibración de este nuevo instrumento, sin
embargo, se llevó a cabo por medio de la escala astronómica6.
El reloj atómico comenzaba a desarrollarse de muchas formas en las décadas de los 50 y
60, donde se presentaron relojes atómicos de hidrogeno, rubidio, y cesio. El primer reloj
atómico comercial fue el Atomichron (fig.1), que vendió más de 50 fabricaciones entre
1956 y 1960.
Fig.1 Atomichron
5
Escala de tiempo propuesta por Gerald Clemencia, definiendo la unidad de tiempo en términos de la
traslación de la tierra alrededor del sol. La unidad de tiempo era el segundo, tomado del una pequeña
parte del año tropical derivada de las teorías de Simon Newcomb del movimiento del sol, se convierte en
1960 en la medida estándar de segundo.
6
Es una escala para uso de medidas de longitud, cuya unidad es el parsec (paralaje de arco segundo). El
parsec equivale a 3,25 años luz, y es la distancia que tiene un segundo de arco de abertura sobre las dos
posiciones opuestas de la tierra en su translación.
Su gran tamaño y costo fue un problema que dio paso a otros proyectos, como el de
Hewlett Packard, que con su modelo 5060 (fig.2), cuyo estándar de frecuencia era el
cesio, alcanzó un gran éxito al ser lanzado en 1964.
El desarrollo de los relojes atómicos se detuvo hasta años después, debido a otros
desarrollos en campos distintos, como el enfriamiento del laser, los laser de alta finura,
y algunos otros, que llevan en 2004, a los científicos del NIST a desarrollar un reloj
atómico tan pequeño a escala de chip, cuyo tamaño era cien veces más pequeño que los
relojes atómicos hasta ahora desarrollados y con un consumo de tan solo 75 mW7.
En marzo del 2008, el NIST muestra una teoría cuántica aplicada a un reloj atómico,
sobre el mercurio y otro sobre los iones de aluminio, cuya precisión permite que no
exceda ni retrase un segundo en más de mil millones de años (fig.3)
7
Mili watts (1 * 10^-3 Watt)
El funcionamiento de estos relojes depende de la frecuencia de las transiciones
hiperfinas de los átomos de la sustancia que se utilizan para absorber la radiación
magnética generada por el oscilador de microondas. Por ejemplo en el cesio los iones se
presentan en dos estados dependientes del espín8 del último electrón del átomo de
cesio. En estos estados se observa una frecuencia energética de 9192.631.779 Hz9.
Luego de un proceso de evaporación, que se da en un horno con una placa de la
sustancia utilizada, se separan los iones de mayor carga y los de menor carga,
desechando los de mayor carga, y enviando los de menor carga a una cámara. Sin
embargo, el verdadero reloj se encuentra en el siguiente proceso donde un radioemisor
de microondas llena la cámara de tal forma que sea uniforme con ondas eléctricas con la
frecuencia de un oscilador electrónico. En un punto, la frecuencia de la transmisión
hiperfina se acopla con la frecuencia de la onda radiada del oscilador, haciendo emitir
luz a los iones de la sustancia debido a la absorción de radiación. Luego, con una célula
fotoeléctrica10, se captura el momento exacto de la emisión, generando una señal que es
enviada a una circuito que puede ajustar la frecuencia del radioemisor, que registra las
veces que el radiotransmisor produzca una onda en la frecuencia.
Las múltiples aplicaciones de estos relojes, revelan su importancia. Como generar el
estándar de medida del tiempo. Pero no solo se utilizan para calibrar, como por ejemplo,
su uso en la interferometría11 de larga línea en la radioastronomía12. Aunque su uso más
comercial es sin duda el GPS, que utiliza relojes atómicos en estaciones terrestres y
satélites, formado un reloj maestro, que es una medida ponderada de relojes atómicos.
Los relojes atómicos son tan importantes como cualquier otra base de medida, y por
tanto un gran avance para el mundo.
“Si puedes medir aquello de lo que hablas, y si puedes expresarlo mediante un número,
entonces puedes pensar que sabes algo; pero si no lo puedes medir, tu conocimiento
será pobre e insatisfactorio.”- William Thomson
8
Propiedad física de las partículas subatómicas por la cual todas partícula tienen un momento angular
intrínseco de valor fijo.
9
Herz
10
Célula con propiedades de emitir electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir
sobre ella una radiación electromagnética.
11
[…Es una técnica utilizada en astronomía que consiste en combinar una luz proveniente de diferentes
receptores, telescopios o antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución] tomado de
http://es.wikipedia.org/wiki/Interferometr%C3%ADa
12
El uso de grandes antenas, o antenas conectadas en paralelo.