METROLOGÍA. PATRÓN DEL TIEMPO, SU EVOLUCIÓN Y EL RELOJ ATÓMICO DE CESIO Heiner Bello, Felipe Patiño, Lina Santana, Lina Soler Universidad Nacional de Colombia Fundamentos de electricidad y magnetismo Jaime Villalobos Resumen- Este artículo informativo, describe el patrón del tiempo o referencias que se han tomado para medir el segundo durante la historia y sus diferentes instrumentos de medición. Finalmente se describe el reloj atómico de cesio, actual patrón para la estandarización del segundo. Palabras clave: Reloj atómico, cesio, patrón, tiempo, segundo. 1. INTRODUCCIÓN El patrón del tiempo, es el segundo expresado por el símbolo s. Este patrón se mide mediante el tiempo atómico del reloj del isótopo de cesio 133. La definición del segundo es la siguiente: Un segundo es el tiempo que demoran 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación del cesio-133 a temperatura del cero absoluto. Pero esto no ha sido siempre así y el tiempo se ha medido de diferentes maneras durante la historia, el más preciso que se utiliza es el ya mencionado de cesio, pero se están construyendo otros como el de aluminio que será aún mejor, ya que no se atrasará ni se adelantará un segundo en menos de mil millones de años. 2. EL SEGUNDO EN LA HISTORIA De lo más antiguo que se conoce para la medición del tiempo, son las clepsidras. Estas son relojes de agua que funcionaban mediantes un orificio que permitía la salida del agua en un tiempo determinado. Estos se podían utilizar para medir el tiempo en las estaciones del año, tiempo de oradores en tribunales, etc.… Aproximadamente en el siglo XI Su Song, un famoso chino erudito que se especializó como ingeniero, poeta, anticuario, y el embajador de la dinastía Song, construyó un complejo mecanismo a base de agua para indicar periodos de tiempo con sonidos. Luego se conocen los relojes de arena. Estos se basan en el mismo funcionamiento que las clepsidras, pero con el flujo de arena. El flujo de la arena por un orificio o una determinada área permitía contabilizar el tiempo de diferentes maneras, dependiendo de la cantidad de arena o del tamaño del orificio. Estos se usaban por ejemplo para los ejércitos romanos durante la noche, contabilizar jornadas de trabajo en barcos durante navegaciones, entre otros. El fuego también fue un recurso utilizado para medir el tiempo. Esto funcionaba mediante velas marcadas, a medida que se derretían y pasaban las correspondientes marcas, se podía tener en cuenta el tiempo pasado. Los cuadrantes solares también conocidos como relojes de sombra marcaban el momento del día, según la posición y la longitud de una sombra generada por el sol en una superficie, que para contabilizar el tiempo, estaba numerada. Existían gran variedad de cuadrantes con muchas formas: cuadrantes planos, cúbicos, globos, escalones numerados o cuadrantes portátiles. Se considera que uno de los cuadrantes más grandes encontrados es stonehenge que data hacia 1900 A. C. en el Reino Unido; la posición de las piedras que lo conforman y la disposición del horizonte señalan diferentes etapas del año. Ante la imposición de la religión católica mundialmente, el tiempo se midió conforme a esta. Un año estaba dividido en 4 etapas. De pascua a pentecostés, de pentecostés a septiembre, de septiembre a la cuaresma y de la cuaresma a la pascua. También dividían el día en siete horas. Para anunciar el momento del día, se hacían sonar las campanas de los monasterios cada seis horas, tiempo eclesiástico. Los relojes mecánicos comenzaron a aparecer en el siglo XIII, en acero fabricados por herreros, estos sufrían un desajuste de 15 a 30 minutos diarios, por los cambios físicos del material del que estaban hechos. En el siglo XV se inventaron los relojes de una sola manecilla que marcaba la hora, y en el siglo XVII los relojes de péndulo que funcionaban con la gravedad, los primeros con los que se podían contabilizar los segundos. Hacia el siglo XIX se inventó el reloj eléctrico en el cual el péndulo no funcionaba con la gravedad sino por un electroimán y una batería. Finalmente llegaron los relojes de pulsera. Comenzaron con el reloj de cuarzo en el siglo XX. Este funcionaba por fenómenos cuánticos, las vibraciones generaban una corriente de frecuencia que accionaba el mecanismo. 3. RELOJ ATÓMICO 4. MECANISMO DEL RELOJ ATÓMICO DEL CESIO Figura 1: Imagen tomada de http://whyfiles.org/078time/ En 1952 el NIST logra por primera la medición precisa de la frecuencia del cesio para el reloj atómico El reloj de cesio fue construido (figura 1) por primera vez en 1955 por Louis Essen y J. Parry. Aunque este sigue siendo el patrón del tiempo, se están desarrollando unos relojes más precisos como el de aluminio que solo se desajusta en un segundo cada 3,7 mil millones de años, este es un tipo de reloj conocido como reloj de lógica cuántica, originalmente tenía átomos de aluminio y de berilio. Los relojes atómicos son los más precisos hasta ahora, el más generalizado es el del isótopo de cesio 133, que sufre un error de un segundo cada 30.000 años. El primero fue desarrollado con amoniaco pero no era significativamente mejor que el de cuarzo. Un segundo según estos relojes corresponden a 9.192.631.770 ciclos de la radiación del cesio. Se optó por este digito ya que es la duración más cercana al segundo en el tiempo de efemérides (tiempo astrológico igualado al tiempo universal cerca de 1902). Figura 2: Imagen tomada de NIST . National Institute of Standards and Technology. http://www.nist.gov /pml/div688/grp50/primary-frequency-standards.cfm Funcionamiento: El reloj de cesio funciona con base a la radiación que generan las estructuras hiperfinas del átomo. Las estructuras hiperfinas son las perturbaciones que se generan por el cambio en los niveles de energía de los electrones. Estos cambios de energía se dan por la interacción entre el espín del electrón (un campo magnético) y el momento magnético del núcleo. Cuando se dan estas perturbaciones, los átomos de cesio absorben la energía e irradian luz, los que son detectados por una celda fotosintética, y así es que se sincronizan. Para que se generen las estructuras hiperfinas, los átomos son previamente ralentizados y enfriados por un bombardeo con láser (así se crea un campo magnético que permite el siguiente proceso), y se pasan por una propagación de microondas generadas por un oscilador electrónico y un radioemisor, que al estar en la misma frecuencia con el átomo cambia su nivel de energía. Los átomos de cesio emiten ondas de luz que se repiten 9.192.631.770 veces cada segundo, en un segundo estas ondas tienen una frecuencia de 9.192.631.770 Hz. Así que 9.192.631.770 veces esta radiación es lo que se conoce como un segundo. 5. BIBLIOGRAFÍA [1] Colaboradores de Wikipedia, ((Historia de la relojer__a)), ((Reloj at_omico)), Wikipedia, la enciclopedia libre,(2012). Disponible en: http://es.wikipedia.org/ [2] Juan Fern_andez Macarr_on, Los Conceptos Espacio y Tiempo, AstroF_acil ,(2012). Disponible en: http://www.astrofacil.com/Articulos/articulos.html. [3] Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa (ILCE), Midiendo el Tiempo, Red Escolar ILCE,(2000). Disponible en: http://redescolar.ilce.edu.mx /redescolar/act_permanentes/historia/histdeltiempo/pasado/ti empo/p_midien.htm.