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原子時計(げんしどけい)とは、原子や分子のスペクトル線を用いて正確な時間を計る時計である。高精度のものだと10^-15(3000万年に1秒)程度、小型化された精度の低いものでも10^-11(3000年に1秒)程度の誤差である。

◆ 原理

原子や分子には、ある特定の周波数の電磁波を吸収(スペクトルにおける吸収線)あるいは放射(同、輝線)する性質があり、その周波数からクォーツ時計よりも正確な時間を求めることができる。そもそも1967年に定められた秒の定義自体が、この性質を応用している(後述)。原子時計とは言っても一般的な時計とは異なり、本来は「原子周波数標準器」とも呼ばれるもので、時計としての時刻を表示するような仕組みは備えておらず、クォーツ時計などの時計と併用し、その誤差をフィードバックすることで初めて「原子時計」として機能する。

原子時計による時刻情報を、世界各地にある送信所からの標準電波を受信し、補正するのが電波時計である。こちらも、時計そのものはクォーツ時計である。

◇ セシウム原子時計

アンモニアやセシウムの他にも、ルビジウムや水素なども用いられるが、セシウム原子時計の一例について述べる。

まず、炉から放射されたセシウム133の蒸気を、磁界によって、エネルギー準位の異なる2つに分離する。分離されたうち、基底状態のものに水晶発振子を基準として、9,192,631,770Hzのマイクロ波を照射し、励起されたものを再び磁界をかけて、分離する。最終的な基底状態と、励起状態のセシウムの量から周波数を調整し、正確な9,192,631,770Hzのマイクロ波を作り出す。

◆ 歴史

1949年、アメリカ国立標準局(NBS) においてアンモニアの吸収線を用いたものが、物理学者ハロルド・ライオンズによって発明された[外部リンク] Smithsonian Institution Research Information Systemの記述[外部リンク] 1949年7月に成立した特許の内容。イギリスでも、国立物理学研究所(NPL) のルイ・エッセンらによって、セシウム原子時計が開発され(なお、セシウム原子時計の発明は、アメリカが先である)、こちらは1955年から1958年まで、国際原子時(TAI) を刻む実用化第一号となった。原子時計の発明にともない、1967年の第13回国際度量衡総会で現在用いられている、国際単位系(SI) の秒の定義が決定された。

◆ 脚注

◆ 関連項目

・光格子時計

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