세슘 표준

Caesium standard
원자 시계의 일부로 사용되는 세슘 원자 분수

세슘 표준은 세슘-133 원자의 두 초미세 접지 상태 간 전환에 의한 광자 흡수를 사용하여 출력 주파수를 제어하는 1차 주파수 표준이다.최초의 세슘 시계는 1955년 루이스 에센에 의해 영국 [1]국립물리연구소에서 만들어졌고 미국 해군관측소제노트 M. R. 윙클러에 의해 전세계에 홍보되었다.

세슘 원자 시계는 가장 정확한 시간 및 주파수 표준 중 하나이며 국제 단위계(SI)(현대식 미터법)에서 두 번째의 정의를 위한 1차 표준으로 사용됩니다.정의에 따르면 (지구 자기장과 같은 외부 영향이 없는 경우) 두 극세지 상태의 전환으로 생성된 방사선의 주파수Cs 정확히 9192631770Hz이다.이 값은 세슘 세컨드가 1960년 채택된 인간의 측정 능력의 한계와 일치하도록 선택되었으며,[2] 태양 주위를 도는 지구 궤도에 기초한 기존의 표준 사용 후기와 일치합니다.시간과 관련된 다른 측정이 이처럼 정밀하지 않았기 때문에, 변화의 효과는 모든 기존 측정의 실험 불확실성보다 적었다.

두 번째 단위는 세슘 표준과 관련하여 명시적으로 정의된 유일한 기본 단위이지만, SI 단위 대부분은 두 번째 단위 또는 두 번째 단위를 사용하여 정의된 다른 단위를 언급하는 정의를 가지고 있다.따라서 몰을 제외한 모든 염기 단위와 쿨롱, 옴, 지멘스, 웨버, 그레이, 시버트, 라디안 및 스테라디안을 제외한 모든 명명된 유도 단위는 세슘-133 초미세 전이 방사선의 특성에 의해 암묵적으로 정의된 값을 가진다.이들 중 몰, 쿨롱, 무차원 라디안과 스테라디안을 제외한 모든 것은 전자기 복사의 일반적인 특성에 의해 암묵적으로 정의된다.

기술적 세부사항

번째 공식 정의는 1967년 제13차 총회에서 BIPM의해 "두 번째 정의는 세슘 133 원자 지반 상태의 초미세 수준 사이의 전이에 해당하는 9192631770 방사선의 지속 시간"으로 처음 제시되었다.1997년 BIPM은 이전 정의에 "이 정의는 0 [3]K의 온도에서 정지된 세슘 원자를 의미한다"고 추가했다.

BIPM은 26차 회의(2018년)에서 "두 번째는 세슘 133 원자의 교란되지 않은 지상 상태 초미세 전이 주파수인 세슘 주파수 δCs의 고정 수치를 Hz 단위로 나타낼–1 [4]9192631770으로 취함으로써 정의된다"고 다시 정의했다.

앞의 정의의 의미는 다음과 같습니다.세슘 원자는 구성 [Xe] 6s와1 결과적으로 원자항 기호1/2 S를 갖는 접지 상태의 전자 상태를 가집니다.이것은 한 쌍의 전자가 없고 원자의 총 전자 스핀은 1/2임을 의미합니다.또한 세슘-133의 핵은 7/2와 같은 핵 스핀을 가진다.전자 스핀과 핵 스핀의 동시 존재는 초미세 상호작용이라고 불리는 메커니즘에 의해 모든 에너지 레벨을 두 개의 하위 레벨로 분할하는 것으로 이어집니다.부전자 중 하나는 전자와 핵 스핀이 평행(즉, 같은 방향을 가리키며)하여 총 스핀 F는 F = 7/2 + 1/2 = 4같고, 다른 서브 레벨은 반전자 및 핵 스핀(즉, 반대 방향을 가리키며)에 해당하며, 스핀 F = 7 - 2로 이어진다.세슘 원자에서 에너지에서 가장 낮은 수준은 F = 3인 하위 수준인 반면, F = 4 하위 수준은 에너지적으로 약간 위에 있다.원자에 두 서브레벨 사이의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 가진 전자기 방사선을 조사하면 방사선이 흡수되고 원자는 F=3 서브레벨에서 F=4 서브레벨로 이동하며 들뜨게 된다.몇 초 후에 원자는 방사선을 다시 방출하고 F = 3 지상 상태로 돌아간다.두 번째의 정의에 따르면 해당 방사선의 주파수는 정확히 9.19263177GHz이며, 이는 약 3.26cm의 파장에 해당하며, 따라서 마이크로파 범위에 속한다.

이 특별한 세슘 공명은 Métre 협약에 의해 합의되었고 오늘날까지 세계 공동체를 위한 두 번째 공식 정의로 남아 있다.

일반적인 혼란은 주파수( {\{\ )에서 주파수({\f})로 변환하거나 그 반대로 변환하는 것입니다.각 주파수는 과학 문헌에서 s로 일반적으로–1 제공되지만, 여기서 단위는 암묵적으로 초당 라디안을 의미한다.반대로 단위 Hz는 초당 사이클로 해석해야 합니다.변환 공식은 f {\= f입니다. 이는 1Hz가 초당 약 6.28 라디안의 각 주파수(또는 관례상 라디안이 생략된 경우 6.28초–1)에 해당함을 의미합니다.

두 번째 SI 단위 및 기타 SI 단위에서의 매개변수 및 유의성

세슘 표준에 다음 파라미터가 있다고 가정합니다.

  • 기간 : δtCs
  • 주파수Cs: ★★★
  • 파장 : λCs wa
  • 광자 에너지: δECs

시간과 빈도

세슘 표준을 사용하여 정의된 첫 번째 단위 세트는 시간과 관련된 단위였으며, 두 번째 단위는 1967년에 "세슘 133 원자의 지면 상태의 두 초미세 수준 사이의 전이에 해당하는 9192631770 기간의 방사선 지속 시간"으로 정의되었다. 이는 다음을 의미한다.

  • 1초, s, = 9,192,631,770 µtCs
  • 1Hz, Hz, = 1/s =ΔνCs/9,192,631,770
  • 1 베크렐, Bq, = 1 핵붕괴/초 = 1/9,192,631,770 핵붕괴/Cs

이것은 또한 힘과 에너지와 관련된 파생 단위의 정의(아래 참조)와 당시 정의에서 뉴턴을 참조한 암페어의 정의를 세슘 표준과 연결시켰다.1967년 이전에는 시간과 빈도의 SI 단위가 열대년을 사용하여 정의되었고 1960년 이전에는 평균 태양일[5] 길이로 정의되었다.

길이

1983년, 미터기는 공식 정의와 함께 세슘 표준 관점에서 간접적으로 정의되었다. "미터는 1/299 792 458초의 시간 간격 동안 진공에서 빛이 이동한 경로의 길이이다.이는 다음을 의미합니다.

  • 1 m, m, = c s/192,792,458 = 9,192,631,770/190,792,458 c δtCs = 9,192,631,770/190,792,458 δCs
  • 1 라디안, rad, = 1 m/m = δCs/수직각Cs = 1(각도가 없는 단위)
  • 1 스테라디안, sr, = 12 m/m2 = δCs2 δCs2 / δ = 1 (고체 각도의 단위 없음)

1960년과 1983년 사이에 미터는 크립톤 86 원자와 관련된 다른 전이 주파수의 파장으로 정의되었다.이는 가시 스펙트럼 안에 들어가면서 세슘 기준보다 주파수가 훨씬 높고 파장이 짧았다.그리고 1889년에서 1960년 사이에 국제 시제품 계량기로.[6]

질량, 에너지 및 힘

SI 베이스 유닛의 2019년 재정의에 따라 일반적으로 전자파 방사선은 정확한 매개변수를 가지도록 명시적으로 정의되었다.

  • c = 299,792,458 m/s
  • h = 6.62607015×10Js−34

또한 세슘 133 초미세 전이 방사선은 다음과 같은 빈도로 정의되었다.

  • δCs = 9,192,631,770Hz[7]

c와 δCs 대한 위의 값은 이미 미터와 초의 정의에 분명히 내포되어 있었다.이 조합은 다음을 의미합니다.

  • TCs = 1/DiagesCs】= s/9,192,631,770
  • δCs = c δtCs = 299,792,458/9,192,631,770 m
  • δECs = h δδCs = 9,192,631,770Hz × 6.62607015−34 × 10 J = 6.09110229711386655−24 × 10 J
  • δMCs = δECs2/c = 6.09110229711386655−24×10 J/89,875,517,873,681,76422 m/s = 6.09110229711386655/8.98755178736864 kg40

특히 파장은 약 3.26cm의 상당히 인간적인 크기를 가지며 광자 에너지는 켈빈당 자유도 당 평균 분자 운동 에너지에 놀라울 정도로 가깝다.이것으로부터, 다음과 같이 됩니다.

  • 1kg, kg, = 8.9875517873681764×1040/6.09110229711386655ΩMCs
  • 1줄, J, = 1024/6.09110229711386655 ΩECs
  • 1 W, W, = 1 J/s = 1014/5.59932604907689089550702935 ΩECs δCs
  • 1 newton, N, = 1 J/m = 2.9979245822×10/5.59932604907689089550702935 ΩECs/표준Cs
  • 파스칼 × 1, Pa, = 1 N/m2 = 2.6940024173739895335912×1019/4.731681297378209131892876988924811451620615 δδECs/δλλCs3
  • 1 그레이, Gy, = 1 J/kg = 1/89,875,517,873,681,764 δECs/764Cs δ2 1 = c/89,875,517,873,681,764

개정 전인 1889년과 2019년 사이에 질량, 힘, 에너지와 관련된 미터법(및 이후 SI) 단위군은 국제 킬로그램 프로토타입(IPK)의 질량에 의해 다소 악명높게 정의되었으며, 이는 파리 국제측량국(International Bureau of Meights and Measure) 본부에 보관된 특정 물체이다.그 물체의 질량에 대한 앙주는 킬로그램의 크기와 그 당시 값이 [8]킬로그램의 크기에 따라 달라지는 다른 많은 단위들의 변화를 초래했을 것이다.

온도

1954년부터 2019년까지 SI 온도 척도는 물의 삼중점절대 [9]영점을 사용하여 정의되었다.2019년 개정안은 이러한 값을 볼츠만 상수 k에 대해 할당된 값 1.380649−23×10 J/K로 대체했으며, 이는 다음을 의미한다.

  • 1 켈빈, K, =자유도당 1.380649×10−23 J/2 =자유도당 1.380649×10−2324/2/6.09110229711386655 ΩECs =자유도당 1.380649/1.21822045942277331 ΩECs
  • 온도(섭씨, °C, = 온도(켈빈 단위) - 273.15 = 1.21822045942277331 × 자유도당 운동 에너지 - 377.12027435 ΩECs/1.380649 ΩECs

물질량

몰은 매우 많은 수의 "원소 실체"(즉, 원자, 분자, 이온 등)이다.1969년부터 2019년까지 이 수치는 IPK와 탄소 12 [10]원자 사이의 질량비 0.012 ×였다.2019년 개정에서는 아보가드로 상수에 몰당 6.02214076×1023 정확한 을 할당함으로써 이를 단순화했다. 따라서 기본 단위 중 유일하게 몰은 세슘 표준으로부터 독립성을 유지했다.

  • 1 몰, 몰, = 6.02214076×1023 기본 엔티티
  • 1 카탈, kat, = 1 mol/s = 6.02214076×1014/9.19263177 초등 엔티티/하이브리드Cs

전자 장치

개정 이전에는 암페어는 1m/m당 0.2μN의 간격을 두고 2개의 병렬 배선 사이에 힘을 발생시키는 데 필요한 전류로 정의되었습니다.2019년 개정판은 이 정의를 전자전하 1.602176634×10쿨롬으로−19 대체했다.다소 부조화하지만 쿨롱은 여전히 파생 단위로 간주되고 앰프는 [11]그 반대로 간주되지 않고 기본 단위로 간주되지 않습니다.어떤 경우에도 이 규약은 SI 전자기 단위, 전자 및 세슘-133 초미세 전이 방사선 사이에 다음과 같은 정확한 관계를 수반했다.

  • 1 쿨롱, C, = 1019/1.602176634 e
  • 1암페어 또는 A암페어 = 1 C/s9 = 10/1.4728219826006218 e ( ννCs
  • 1V, V, = 1J/C = 1.602176634×105/6.09110229711386655ΩECs/e
  • 파라드 1개, F, = 1 C/V = 6.09110229711386655×1014/2.566969966535562 e/δECs
  • 1 ohm, Ω, = 1 V/A = 2.3597209667071721258310212×10−4/6.09110229711386655 δECs/6Cs22.091209667071721258312×10−4/6.09110113866 e
  • 1 지멘스, S, = 1/CJ = 6.09110229711386655×104/2.35972096670107172125831022 e/h
  • 1 웨버, Wb, = 1 V = 1.602176634×1015/6.62607015 δECs δtCs/e = 1.602176634×1015/6.62607015 h/e
  • 1 테슬라, T, 1 Wb/m = 1 Wb/m2 = 1.43996454505862285832322376×101212/5.5993260490890895502935 5Cs 5 5 5Cs 5 5Cs2 5555 、 1 . 439454705862283276 、 10 . 08909907676
  • 1 henry, H, = δs = 2.3597209667010717212583102126×10/6.62607015 h δtCs/e2

광학 장치

1967년부터 1979년까지 SI 광학 단위, 루멘, 럭스 및 칸델라는 백금의 녹는점에서 백열광을 사용하여 정의되었습니다.1979년 이후 칸델라는 주파수 540Thz(, 세슘 표준의 6000/1.02140353)의 단색 가시 광원과 스테라디안당 1/683와트복사 강도로 정의되었다.이것은 칸델라의 정의를 세슘 표준과 2019년까지 IPK와 연결시켰다.질량, 에너지, 온도, 물질량전자기관련된 단위와는 달리, 광학 단위는 와트 및 [12]킬로그램의 값에 따라 간접적으로 영향을 받았음에도 불구하고 2019년에 대규모로 재정의되지 않았다.광유닛 정의에 사용되는 주파수에는 다음 파라미터가 있습니다.

  • 주파수: 540THz
  • 기간: 50/27 fs
  • 광자 에너지: 5.4×10Hz14×6.62607015×10J−34 = 3.578077881×10J−19
  • 광자당 발광 에너지, v {\ = 3.578077881×10−19 J × 683 lm/W = 2.443827272723×10−16 lm s

이것은 다음을 의미합니다.

  • 1 루멘, lm, = 106/2.246520349221536260971 v\ Q _ { \ { } Cs 24
  • 1 칸델라, cd = 1 lm/sr = 106/2.246520349221536260971 v\ Q _ { \ { } Cs / sr
  • 1 Lux, lx, = 1 lm/m2 = 8.9875517873681764×102/1. Q { } δδδδδδCsCs2 / 8.89841033566856566566534045880808087002459

요약

SI 단위로 정확하게 표현되는 세슘 133 초미세 전이 방사선의 매개 변수는 다음과 같습니다.

  • 주파수 = 9,192,631,770Hz
  • 기간 = s/9,192,631,770
  • 파장 = 299,792,458/9,192,631,770 m
  • 광자 에너지 = 6.09110229711386655×10J−24
  • 광자 질량 등가 = 6.09110229711386655×10−40/8.9875517873681764 kg

SI의 7가지 기본 단위가 SI 정의 상수로 명시적으로 표현될 경우 다음과 같다.

  • 1초 = 9,192,631,770/120Cs
  • 1 m = 9,192,631,770/170,792,458 c/170Cs
  • 1 kg = 8.9875517873681764×1040/6.09110229711386655 h δCs/c2 / c
  • 1암페어 = 109/1.4728219826006218 e δδCs
  • 1 kelvin = 13.80649/6.09110229711386655 h δδCs / k
  • 1 몰 = 6.02214076×1023 기본 엔티티
  • 1 칸델라 = 1011/3.82433969151951648163130104605h (표준시Cs2CD)K/sr

7개의 베이스 유닛 중 6개가 특히 δCs 값에 따라 달라집니다.그리고Cs δ는 다른 정의 상수보다 훨씬 더 자주 나타납니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ L. Essen, J.V.L. Parry (1955). "An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator". Nature. 176 (4476): 280–282. Bibcode:1955Natur.176..280E. doi:10.1038/176280a0. S2CID 4191481.
  2. ^ Markowitz, W.; Hall, R.; Essen, L.; Parry, J. (1958). "Frequency of Cesium in Terms of Ephemeris Time". Physical Review Letters. 1 (3): 105. Bibcode:1958PhRvL...1..105M. doi:10.1103/PhysRevLett.1.105.
  3. ^ "Comité international des poids et mesures (CIPM): Proceedings of the Sessions of the 86th Meeting" (PDF) (in French and English). Paris: Bureau International des Poids et Mesures. 23–25 Sep 1997. p. 229. Archived from the original (PDF) on 4 December 2020. Retrieved 30 December 2019.
  4. ^ "Resolution 1 of the 26th CGPM" (in French and English). Paris: Bureau International des Poids et Mesures. 2018. pp. 472 of the official French publication. Archived from the original on 2021-02-04. Retrieved 2019-12-29.
  5. ^ "Second - BIPM".
  6. ^ "Metre - BIPM".
  7. ^ "Resolution 1 (2018) - BIPM".
  8. ^ "Kilogram - BIPM".
  9. ^ "Kelvin - BIPM".
  10. ^ "Mole - BIPM".
  11. ^ "Ampere - BIPM".
  12. ^ "Candela - BIPM".

외부 링크