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L’orologio atomico – seconda parte –

Autore: Fabio Dell'Orto | 3 dicembre 2011

Vediamo ora in modo semplice e breve il funzionamento di queste macchine quasi perfette. Gli orologi atomici a maser utilizzano una cavità risonante contenente un gas ionizzato. Solitamente è usato il cesio perché questo è alla base della definizione del secondo come 9.192.631.770 cicli della radiazione corrispondente alla transizione tra due specifici livelli energetici dello stato fondamentale dell’atomo di questo elemento.

Questo fa dell’oscillatore al cesio, come è a volte chiamato l’orologio atomico, lo standard primario per le misure di tempo e frequenza. Altre grandezze fisiche come il volt ed il metro sono definite chiamando in causa il secondo come grandezza fondamentale. Il cuore di un orologio atomico è costituito oltre che dalla cavità a microonde già accennata, da un oscillatore/trasmettitore radio sintonizzabile ed un anello di retroazione (un servosistema) che regola la frequenza dell’oscillatore esattamente alla frequenza a cui si ha la risonanza per il particolare tipo atomico contenuto nella cavità. Il trasmettitore riempie la cavità con onde stazionarie; quando la frequenza coincide con la frequenza di risonanza del gas, gli elettroni degli atomi assorbono le onde radio e saltano al livello energetico superiore.

Tornando al livello originario riemettono sotto forma di luce l’energia precedentemente assorbita.
Se la frequenza di pompaggio si discosta dal valore di risonanza, l’intensità della luce prodotta diminuisce. Una fotocellula rileva quindi la variazione ed un circuito corregge la frequenza nella direzione di riportare l’intensità luminosa al valore massimo. Il modo in cui questo processo di retroazione opera è naturalmente più complesso, in quanto deve anche sopprimere effetti indesiderati quali la frequenze di altri livelli elettronici o distorsioni nelle transizioni, variazione della temperatura ecc.

Per esempio la frequenza delle onde radio può essere modulata sinusoidalmente in modo che la luminosità alla fotocellula abbia un andamento similmente variabile. Questo segnale può essere poi utilizzato per controllare la deriva a lungo termine della frequenza. Il risultato è quello di fare oscillare (entro un certo margine di errore) il generatore di microonde secondo le precisissime caratteristiche quantistiche del cesio. Quando il sistema viene acceso è necessario un certo tempo affinché vada a regime e il dato prodotto sia affidabile.

Infine un contatore conta i cicli della frequenza originale e li comunica ad un computer, il quale li presenta in forma numerica oppure li trasmette via radio o via Internet. Esistono diverse varianti a questa configurazione. Gli orologi al rubidio hanno un basso costo, un limitato ingombro (i modelli commerciali occupano un volume di 400 cm3) e buona stabilità termica a breve termine. Sono usati in applicazioni commerciali e nell’industria aerospaziale. I maser ad idrogeno (costruiti in particolare in Russia) hanno una stabilità a breve termine migliore di altri sistemi ma minore accuratezza a lungo termine. Spesso uno standard è utilizzato per correggerne un altro. Per esempio in alcune applicazioni commerciali è impiegato un oscillatore al rubidio asservito ad un ricevitore Global Positioning System.

Questo metodo permette di raggiungere una buona accuratezza a breve termine assieme ad una stabilità a lungo termine riferibile al tempo standard degli Stati Uniti (dal cui governo è amministrato il GPS). Di importanza pratica è anche la durata di vita di un riferimento standard. I moderni tubi maser al rubidio durano oltre dieci anni e hanno un costo di circa 50€. I tubi al cesio utilizzati dagli uffici metrologici nazionali hanno una durata di circa sette anni e costano oltre 30.000€.

I sistemi ad idrogeno hanno una durata limitata dal rapporto tra la quantità d’idrogeno accumulata (tipicamente in bombole con idride all’interno) e quella consumata per unità di tempo. Il migliore sistema attualmente sviluppato impiega ioni di mercurio. È stato creato al NIST che sfrutta un laser con impulso di un femtosecondo. Ha una precisione di 5 ordini di grandezza in più rispetto agli orologi al cesio. I suoi progettisti dicono che potrebbe sbagliare di un secondo “dopo 4,5 miliardi di anni”.

Articolo di Marco Parravicini di Gioielleria Parravicini: vendita On Line Orologi & Gioielli.

Prima parte dell’articolo dedicato all’orologio atomico.

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