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Définition de la seconde et atome de césium.



  1. #1
    dodohappy

    Question Définition de la seconde ... j'ai une question.


    ------

    Bonjour,
    voilà j'ai lu la définition de la seconde (que voici) :
    Unité de temps équivalent à la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transmition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133
    alors ma question est : pourquoi le césium 133 ??? qu'est ce qu'il a de spécial ?
    merci pour vos réponses

    -----

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  3. #2
    deep_turtle

    Re : Définition de la seconde ... j'ai une question.

    Il a de spécial que la raie choisie est très bien définie (très fine) et très bien mesurée...
    « D'avoir rejeté le néant, j'ai découvert le vide» -- Yves Klein

  4. #3
    dodohappy

    Re : Définition de la seconde ... j'ai une question.

    c'est ça qui est utilisé pour les horloges atomiques?

  5. #4
    panzani

    Question Définition de la seconde et atome de césium.

    boujour a tous ! je suis nouvelle !
    voila j'ai une question a laquelle je voudrais avoir une réponse assez claire ( svp ! ) :

    pourquoi a t-on choisi l'atome de césium 133 ( et pas un autre ! ) pour définir la seconde ?

    merci d'avance.

  6. #5
    martini_bird

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Salut,

    j'ai fusionné les topics concernant la même question.

    Pour la modération.

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    wolf3470

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Il me semble que c'est parce que la montre au césium et la plus précise au monde. L'écart de temps est très mince 1 seconde sur plusieur année (je sais plus bien tout les combien de temps) alors que les autres montre varie beaucoup plus.
    Pour vérifié la variation de temps il me semble qu'on peut se baser sur les pendules qui se règle par satellite et par exemple le 1er du mois tu règle une montre et tu regarde l'écart de temps que tu as au bout de quelque semaines ou de quelques mois. (à confirmé)

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  10. #7
    gatsu

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Je vais essayer de pas trop dire de bêtises:
    Ce qui est important dans une horloge atomique c'est d'avoir un échelon de fréquence. Ensuite la seconde peut être définie à partir de cette fréquence comme étant le temps mis pour qu'un oscillateur (asservi sur cette fréquence) ait périodes. D'un point de vue pratique pour avoir une tres grande précision il faut que les fluctuations de fréquences soient tres tres faibles. Et notamment d'un point de vue fondamental une estimation sur les fluctuations de fréquence est donnée par la relation ce qui équivaut en fréquence à et donc on a:
    Dans cette relation représente la durée de vie de l'état excité correspondant à la transition d'horloge (dont la fréquence est ).
    C'est là où j'espere ne pas me tromper....il me semble que pour le Césium la transition utilisée est celle qui lie les deux niveaux hyperfins du fondamental et que l'état excité est métastable (très trés grande durée de vie) et donc déjà d'un point de vue fondamental il n'y pas de limitation car avec la relation précédemment donnée on trouve juste ce qui est très prometteur pour avoir un bon échelon de fréquence.
    Malheureusement il se trouve que pratiquement , on ne pourra sans doute jamais avoir des fluctuations de fréquences inférieure à et à ce moment là l'atome de Cesium perd son atout principal comparé à d'autres atomes qui ont une largeur naturelle de l'ordre du Hertz.
    En effet (et je fais finir là dessus) la stabilité d'une horloge est proportionnelle aux fluctuations relatives de fréquence (c'est à dire ) et donc si on veut augmenter la stabilité d'une horloge (comme on ne peut plus faire diminuer d'un point de vue technique) il faut alors changer la fréquence (pour le Césium elle est de l'ordre du Giga Hertz et pour les horloges développées actuellement les transitions utilisées sont de l'ordre du Tera Hertz) ce qui conduit en fait à choisir d'autres atomes que l'atome de Césium.

  11. #8
    Pio2001

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    D'après mes souvenirs, la déviation d'une horloge au césium est de une seconde tous les dix mille ans, et celle d'une horloge à quartz d'une seconde par mois.

  12. #9
    Chip

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par Pio2001
    D'après mes souvenirs, la déviation d'une horloge au césium est de une seconde tous les dix mille ans, et celle d'une horloge à quartz d'une seconde par mois.
    Les horloges atomiques actuelles sont bien meilleures : elle ont une inexactitude relative de l'ordre de 10^-15, ce qui correspond à un écart d'une seconde au bout de plusieurs dizaines de millions d'années...! http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfr..._atomiques.htm

  13. #10
    Chip

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par gatsu
    échelon de fréquence.
    Tu voulais dire étalon ?
    Citation Envoyé par gatsu
    Malheureusement il se trouve que pratiquement , on ne pourra sans doute jamais avoir des fluctuations de fréquences inférieure à
    Les horloges atomiques à césium actuelles ont une incertitude relative de l'ordre de 10^-15 et une stabilité à court terme de l'ordre de 10^-14 tau^-1/2 où tau est la durée de mesure en secondes. Sachant de la transition est à environ 9 GHz, on est très, très au-dessous du Hz au bout d'une seconde de mesure...

  14. #11
    gatsu

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par Chip
    Tu voulais dire étalon ?
    Oui désolé

    Les horloges atomiques à césium actuelles ont une incertitude relative de l'ordre de 10^-15 et une stabilité à court terme de l'ordre de 10^-14 tau^-1/2 où tau est la durée de mesure en secondes. Sachant de la transition est à environ 9 GHz, on est très, très au-dessous du Hz au bout d'une seconde de mesure...
    D'apres ce qu'on m'a dit, il ne faut pas confondre la stabilité d'une horloge qui est proportionnelle au fluctuations relatives en fréquence et les fluctuations de fréquence atomique elles mêmes. Je me suis peut être mal exprimé mais bien que ça parraisse bizarre, si on arrive à avoir des fluctuations en fréquence sur la transition atomique de l'ordre du Hertz cela n'empeche pas d'obtenir une stabilité d'horloge (comme tu le soulignes) qui soit nettement inférieure à 1 Hertz....là c'est de la métrologie et je ne connais plus trop mais il me semble que la stabilité est alors donnée par une formule appelée variance d'Allan.

  15. #12
    Chip

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par gatsu
    il ne faut pas confondre la stabilité d'une horloge qui est proportionnelle au fluctuations relatives en fréquence et les fluctuations de fréquence atomique elles mêmes.
    Je n'ai pas confondu, j'ai même donné les deux quantités (exactitude et stabilité) dans le message du dessus...

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  17. #13
    gatsu

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par Chip
    Je n'ai pas confondu, j'ai même donné les deux quantités (exactitude et stabilité) dans le message du dessus...
    Ok je me suis trompé (encore désolé ) dans les termes c'est l'incertitude sur la fréquence qui ne peut pas dépasser 1 Hertz (j'espere qu'on est d'accord cette fois).

  18. #14
    Seb299792

    Re : Définition de la seconde ... j'ai une question.

    Citation Envoyé par dodohappy
    c'est ça qui est utilisé pour les horloges atomiques?
    Il peut être utilisé autre chose. D'ailleurs il n'y a pas que des horloges atomique au Césium.
    Certaines vérités nous paraissent invraisemblables parce que notre connaissance ne les atteint pas.

  19. #15
    Chip

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par gatsu
    Ok je me suis trompé (encore désolé ) dans les termes c'est l'incertitude sur la fréquence qui ne peut pas dépasser 1 Hertz (j'espere qu'on est d'accord cette fois).
    En fait je ne vois pas ce que tu veux dire... peux-tu préciser?

  20. #16
    gatsu

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par Chip
    En fait je ne vois pas ce que tu veux dire... peux-tu préciser?
    Pratiquement, la stabilité de l'horloge qui représente la moyenne des fluctuations de fréquence autours de la fréquence étalon est donnée par la variance d'Allan:



    est le rapport signal/bruit, est le temps d'acquisition et est le facteur de qualité donné par:
    est la fréquence étalon.
    Ce que je veux dire c'est que les paramètres , , et rapport signal/bruit ont déjà été optimisés (notamment le temps d'acquisition a pu etre grandement augmenté grace aux horloges à atomes froids) donc pour améliorer la stabilité il faut augmenter . Il y a deux possibilité pour cela:
    diminuer (qui ne peut pas être inférieur à la largeur naturelle de la transition....pour le Césium cette largeur naturelle tend vers zero). Mais en fait comme je l'ai dit, techniquement on ne peut pas descendre en dessous de < 1 Hertz; ceci est notamment dû à l'effet Doppler 1er ordre et à l'effet Zeeman du 1er ordre.
    C'est la raison pour laquelle je précisais que pour augmenter la stabilité d'une horloge il faut donc changer la fréquence étalon et donc la transition utilisée .

  21. #17
    Chip

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par gatsu
    Mais en fait comme je l'ai dit, techniquement on ne peut pas descendre en dessous de < 1 Hertz
    OK, je comprends ce que tu veux dire. Mais ça ne signifie pas que les mesures de fréquence dans cette gamme sont limitées au Hz, très loin de là. Dès les premiers cycles de l'horloge l'erreur sur la fréquence est très au-dessous du Hz.
    Citation Envoyé par gatsu
    ceci est notamment dû à l'effet Doppler 1er ordre et à l'effet Zeeman du 1er ordre.
    Non, tu confonds exactitude et stabilité... ces effets posent un problème pour l'exactitude, pas pour la stabilité. D'autre part l'effet Zeeman du premier ordre n'a pas de rôle puisque les états utilisés n'ont pas de moment magnétique (l'effet Zeeman du second ordre a, lui, un effet).
    Dernière modification par Chip ; 18/03/2006 à 09h59.

  22. #18
    gatsu

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par Chip
    OK, je comprends ce que tu veux dire. Mais ça ne signifie pas que les mesures de fréquence dans cette gamme sont limitées au Hz, très loin de là.
    D'accord mais qu'est ce que ça veut dire alors pratiquement < 1Hertz ?

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  24. #19
    Chip

    Re : pourquoi l'atome de césium ??

    Citation Envoyé par gatsu
    D'accord mais qu'est ce que ça veut dire alors pratiquement
    Ce c'est la largeur (en fréquence) du signal de résonance observé. Dans les horloges à atomes le signal observé est une résonance de Ramsey, dont la largeur est donnée par l'intervalle de temps entre les deux impulsions Ramsey (ce n'est donc pas la largeur de raie de la transition utilisée, qui comme tu l'as bien dit est absolument négligeable, tellement la durée de vie de l'état excité est longue). Elle vaut environ 1 Hz ou un peu moins dans les horloges à atomes froids : c'est la durée entre deux passages dans la cavité micro-ondes du nuage d'atomes lancé vers le haut. Mais ça ne donne pas directement l'instabilité en fréquence de l'horloge : pour cela il faut utiliser la formule que tu as donnée au-dessus, où intervient notamment le rapport signal à bruit.

    En pratique l'asservissement de l'oscillateur se fait en interrogeant la fontaine de part et d'autre de la frange centrale du signal de Ramsey (de largeur ). Chaque mesure indique "de combien" on est décalé par rapport à la fréquence centrale (celle de la transition). Comme ceci se fait avec une grande précision (une toute petite fraction de la largeur de raie), dès les premières mesures on est très très en dessous du Hz. Tu peux regarder cet article où est montré un montage expérimental et un spectre de Ramsey : http://arxiv.org/abs/physics/0502117. Ceci dit tes remarques sur les horloges optiques sont justes... c'est un domaine en pleine effervescence!

  25. #20
    dodohappy

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    merci pour toutes vos réponses

  26. #21
    SunnySky

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    L'autre question intéressante, ce serait "pourquoi 9 192 631 770?"

    Je crois savoir que c'est un nombre choisi pour que la seconde ainsi définie corresponde à une seconde de l'année 1900. Quelqu'un peut confirmer, infirmer ou approfondir?
    Le monde se divise en 10 : ceux qui connaissent le code binaire et ceux qui ne le connaissent pas.

  27. #22
    gatsu

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Citation Envoyé par SunnySky
    L'autre question intéressante, ce serait "pourquoi 9 192 631 770?"
    C'est la fréquence de la transition entre les deux états hyperfins du fondamental de l'atome de Césium...ça aurait très bien pu être un autre nombre
    Et comme dit précédemment on a choisi cette transition car elle avait une largeur naturelle (en fréquence) quasi nulle...ça n'a rien à voir avec le nombre de secondes dans une année.

  28. #23
    fderwelt

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Citation Envoyé par gatsu
    C'est la fréquence de la transition entre les deux états hyperfins du fondamental de l'atome de Césium...ça aurait très bien pu être un autre nombre
    Et comme dit précédemment on a choisi cette transition car elle avait une largeur naturelle (en fréquence) quasi nulle...ça n'a rien à voir avec le nombre de secondes dans une année.
    Euh... on aurait aussi bien pu prendre 10 000 000 000 tout rond, ça n'aurait rien changé à l'atome de césium (qui n'en a rien à faire), non? mais ça aurait décalé toutes nos horloges déjà existantes...

    -- françois

  29. #24
    gatsu

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Citation Envoyé par fderwelt
    Euh... on aurait aussi bien pu prendre 10 000 000 000 tout rond, ça n'aurait rien changé à l'atome de césium (qui n'en a rien à faire), non? mais ça aurait décalé toutes nos horloges déjà existantes...

    -- françois
    On aurait peut être pu prendre 10 000 000 000 mais d'un point de vue pratique, le but est d'asservir un oscillateur (à quartz par exemple) sur la fréquence de transition c'est vraiment se compliquer la vie de vouloir changer la valeur de la fréquence utilisée.
    Maintenant comme tu l'as dit on peut définir directement la seconde en disant que c'est le temps mis pour qu'il y ait 10 000 000 000de périodes d'un oscillateur de fréquence mais ça va (comme tu l'as dit aussi) carrement changer la durée qui s'écoule dans ce laps de temps est ce que tu trouves que ça a un interet?
    Pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué?

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  31. #25
    fderwelt

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Citation Envoyé par gatsu
    On aurait peut être pu prendre 10 000 000 000 (...)
    Pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué?
    Je voulais juste dire qu'on a pris 9 192 631 770 plutôt que 10 000 000 000, parce qu'on avait par ailleurs une définition (p.ex. mécanique) de la seconde, qu'on n'allait pas s'amuser à remettre en cause...

    Sinon, bien sûr, je suis d'accord sur le principe et sur la manip' !

    -- françois

  32. #26
    SunnySky

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    C'est aussi ce que je crois. Il y a un certain nombre d'années, il y avait 24h dans une journée, 60 minutes par heure et 60 secondes dans une minute.

    Malheureusement, la Terre ralentit... Ce qui fait que la seconde du XVème sciècle n'est plus la même que celle d'aujourd'hui (si on conserve cette définition).

    Il est donc préférable d'utiliser une référence plus stable que la rotation de la Terre. Mais il est également souhaitable que la nouvelle définition ne soit pas trop différente de l'ancienne. Pour cela, on peut choisir une année, compter les transitions en une seconde de cette année particulière et on obtiendra un chiffre qui peut avoir l'air bizarre...
    Le monde se divise en 10 : ceux qui connaissent le code binaire et ceux qui ne le connaissent pas.

  33. #27
    gatsu

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Citation Envoyé par SunnySky
    C'est aussi ce que je crois. Il y a un certain nombre d'années, il y avait 24h dans une journée, 60 minutes par heure et 60 secondes dans une minute.

    Malheureusement, la Terre ralentit... Ce qui fait que la seconde du XVème sciècle n'est plus la même que celle d'aujourd'hui (si on conserve cette définition).

    Il est donc préférable d'utiliser une référence plus stable que la rotation de la Terre. Mais il est également souhaitable que la nouvelle définition ne soit pas trop différente de l'ancienne. Pour cela, on peut choisir une année, compter les transitions en une seconde de cette année particulière et on obtiendra un chiffre qui peut avoir l'air bizarre...
    Je comprends pas ce que tu veux dire...

  34. #28
    Coincoin

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Salut,
    Ca marche souvent comme ça dans ce domaine : on a une méthode qui nous donne une certaine définition (la seconde est 1/86400e de jour) puis on met au point une méthode plus précise (horloge atomique) et on fixe une grandeur (ici, la fréquence de transition) pour avoir la précision de la nouvelle méthode, tout en restant cohérent avec l'ancienne.

    Ca marche aussi pour le mètre : avant, c'était défini par un étalon, maintenant on a fixé la vitesse de la lumière (à 299792458 m/s et non 300000000 m/s...)
    Encore une victoire de Canard !

  35. #29
    panzani

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    merci pour vos reponses même si ça me dépasse carrement !!!

  36. #30
    Rincevent

    Re : Définition de la seconde et atome de césium.

    Ceux qui manquent de courage ont toujours une philosophie pour le justifier. A.C.

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