QR - Comment fonctionne une horloge atomique ?

[Futura - noReply]

Les horloges atomiques ont vu le jour au tout début des années 1950. Elles promettent une mesure du temps avec une précision extraordinaire : une dérive inférieure à 1 seconde toutes les 30 millions d’années. De quoi synchroniser les milliards d’échanges qui ont lieu quasi simultanément sur le Web ou les satellites au cœur du système GPS.

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[Flyingbike]

des horloges à hydrogène, extrêmement efficaces sur le court terme

c'est quoi, une horloge extrêmement efficace sur le court terme ?


Si j'écris l'heure sur un bout de papier, il sera aussi extrêmement efficace sur le court terme.... et pas besoin d'hydrogène

[Antoane]

Bonjour,

Amusant : science et avenir a rédigé un article très similaire sur le même thème : https://www.sciencesetavenir.fr/fond...relache_149110
Et ils ont fait leurs copier-collé du même projet étudiant que la rédactrice de Futura (https://moodle.insa-rouen.fr/pluginf...orcedownload=1). En revanche, ils ont utilisé la vraie date :

En 1956, le Bureau international des poids et mesures a choisi de définir la seconde comme « la durée de 9.192.631.770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l'état fondamental 6S½ de l'atome de césium 133 ».

En 1956, le Bureau international des poids et mesures a choisi de définir la seconde comme " la durée de 9.192.631.770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F = 3 et F = 4 de l'état fondamental 6S1/2 de l'atome de Césium 133 "

le Bureau international des poids et mesures statua en 1967 sur sa définition de la seconde : elle correspond à "la durée de 9.192.631.770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l'état fondamental 6S½ de l'atome de césium 133".

CIPM, 1956: definition of the second as a fraction of the tropical year 1900

https://www.bipm.org/utils/common/pd...8.pdf#page=144

13th CGPM, 1967/68: defines the second in terms of the caesium transition

https://www.bipm.org/utils/common/pd...8.pdf#page=145

En effet, lorsqu'un atome de césium 133 reçoit une onde électromagnétique à une certaine fréquence, il passe d'un état de basse énergie à un état de plus haute énergie, de l'état F=3 à l'état F=4. Puis, il réémet l'énergie absorbée en précisément 1/9.192.631.770 seconde.

Lorsqu'un atome de Césium-133 reçoit une onde électromagnétique à une certaine fréquence, il passe d'un état de basse énergie à un état de plus haute énergie, de l'état F=3 à l'état F=4. Puis il réémet l'énergie absorbée en précisément 1/9.192.631.770 seconde.

Un peu comme une horloge comtoise comptabilise les oscillations de son pendule, l'horloge atomique est là pour compter le nombre de ces transitions

Alors, comme une horloge comtoise qui comptabilise le temps avec les oscillations de son balancier ou comme une horloge à quartz qui comptabilise les périodes de vibration de son oscillateur à quartz, une horloge atomique va comptabiliser les transitions entre deux niveaux d'énergie de l'atome

...

Finalement, c'est sur un oscillateur à quartz que repose le fonctionnement d'une horloge atomique à jet de césium. Les atomes de césium quant à eux jouent le simple rôle de contrôleurs et d'ajusteurs de la fréquence du signal généré par le quartz (il existe aussi, par exemple, des horloges à rubidium, moins performantes ou des horloges à hydrogène, extrêmement efficaces sur le court terme).

Finalement, c'est sur l'oscillateur à quartz que repose le fonctionnement d'une horloge atomique à jet de Césium. Les atomes de Césium quant à eux jouent le simple rôle de contrôleurs et d'ajusteurs de la fréquence du signal généré par le quartz (il existe aussi, par exemple, des horloges à Rubidium, moins performantes ou des horloges à hydrogène, extrêmement efficaces sur le court terme).

[Flyingbike]

C’est vrai que devant le style inhabituellement fluide et lisible on aurait pu avoir des doutes

Bien vu !

Deuxième ou troisième cas de plagiat sur FS en peu de temps.

[A voir en vidéo sur Futura]

[andretou]

Bonne année à tous !
Pour quelle raison est-ce l'atome de césium 133 qui sert de référence, plutôt qu'un autre atome ?

[GBo]

Bonne nuit,
Parce que cela correspond à une définition de la seconde depuis 1967, laquelle a été basée sur la meilleure technologie d'horloge de l'époque.

"A Brief History of Atomic Clocks at NIST"
https://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm

cdlt,
GBo

[andretou]

Bonne nuit,
Parce que cela correspond à une définition de la seconde depuis 1967, laquelle a été basée sur la meilleure technologie d'horloge de l'époque.

"A Brief History of Atomic Clocks at NIST"
https://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm

cdlt,
GBo

Merci ! Mais pourquoi le NIST a-t-il choisi le césium en 1952 ???
Théoriquement, pourrait-on aujourd'hui remplacer le césium par n'importe quel autre élément avec le même résultat ?

[GBo]

Merci ! Mais pourquoi le NIST a-t-il choisi le césium en 1952 ???

Parce qu'il n'y avait pas mieux au niveau métrologique, compte tenu des moyens technologiques de l'époque, i.e. en terme précision, de stabilité dans le temps, et d'universalité (l'atome de cesium se comportant de façon identique partout et tout le temps).
Ce document passionnant retrace l'Histoire (avec un grand H) récente, n'hésite pas à prendre le temps de le lire:
"NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second"
https://tsapps.nist.gov/publication/...m?pub_id=50602

Théoriquement, pourrait-on aujourd'hui remplacer le césium par n'importe quel autre élément avec le même résultat ?

Non, par exemple on a une horloge atomique au rubidium dans mon labo (au boulot), mais elle est moins précise et stable dans le temps qu'une au cesium (mais moins chère, ce qui arrange les patrons ayant des oursins dans les poches ).

[GBo]

NB: quand je disais "partout", c'est modulo les effets prévus par la RG, dont il faut tenir compte bien sûr, à ce niveau de précision.

[andretou]

Parce qu'il n'y avait pas mieux au niveau métrologique, compte tenu des moyens technologiques de l'époque, i.e. en terme précision, de stabilité dans le temps, et d'universalité (l'atome de cesium se comportant de façon identique partout et tout le temps).
Ce document passionnant retrace l'Histoire (avec un grand H) récente, n'hésite pas à prendre le temps de le lire:
"NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second"
https://tsapps.nist.gov/publication/...m?pub_id=50602

Merci pour ce texte très instructif !
Les 3 arguments présentés justifiants le choix du césium plutôt qu'un autre élément sont les suivants :
1/ le césium devient liquide à 28,4°C (c'est-à-dire juste au-dessus de la température ambiante)
2/ les atomes de césium sont lents (car plutôt lourds)
3/ Cesium also has a relatively high hyperfine frequency (~9.2 GHz) when compared to atoms used in other atomic oscillators, such as rubidium (~6.8 GHz) and hydrogen (~1.4 GHz).
Chaque atome et chaque molécule possède donc une fréquence de transition hyperfine qui lui est propre (ce que je n'avais pas bien saisi !).
Juste pour info, existe-t-il une table des fréquences de transition hyperfine pour chaque élément ? Ne pourrait-on pas compléter le tableau de Mendéleiev avec cette valeur (si cela n'est pas déjà fait, mais je ne le vois pas sur ce tableau https://ptable.com/#Propri%C3%A9t%C3%A9s) ?