Apa itu Jam Atom dan Bagaimana Cara Kerjanya?

Ketika listrik padam dan kemudian dikembalikan, bagaimana Anda tahu apa waktu untuk mengatur jam Anda? Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana waktu diatur?

Di Amerika Serikat, standar waktu yang diatur oleh US Naval Observatory Master Clock (USNO), sumber resmi waktu untuk Departemen Pertahanan. Efek dari mekanisme ini dirasakan oleh kita semua dalam bentuk jam alarm, komputer, mesin penjawab dan jadwal pertemuan.

Apakah Jam Atom itu Radioaktif?
Jam atom menjaga waktu lebih baik daripada jam lainnya. Mereka bahkan menjaga waktu lebih baik daripada rotasi bumi dan pergerakan bintang-bintang. Tanpa jam atom, navigasi GPS akan menjadi mustahil, Internet tidak akan sinkronisasi, dan posisi planet-planet tidak akan diketahui dengan ketepatan yang cukup untuk probe ruang dan pendarat akan diluncurkan dan dimonitor.
Jam atom tidak radioaktif. Mereka tidak bergantung pada peluruhan atom. Sebaliknya, mereka memiliki massa yang berosilasi dan musim semi, seperti jam biasa.

Perbedaan besar antara jam standar di rumah Anda dan jam atom adalah bahwa osilasi dalam sebuah jam atom adalah antara inti atom dan elektron sekitarnya. Osilasi ini bukan sebuah sejajar dengan roda keseimbangan dan pegas rambut dari jam tangan jarum jam, tetapi kenyataannya adalah bahwa kedua osilasi digunakan untuk melacak berlalunya waktu. Frekuensi osilasi ini dalam atom ditentukan oleh massa inti dan gravitasi dan elektrostatik "musim semi" antara muatan positif pada inti dan awan elektron di sekitarnya.

Apa Saja Jenis Jam Atom itu?
Hari ini, meskipun ada berbagai jenis jam atom, prinsip di balik semua dari mereka tetap sama. Perbedaan besar berkaitan dengan elemen yang digunakan dan cara mendeteksi ketika perubahan tingkat energi. Berbagai jenis jam atom meliputi:

Cesium atomic clocks mempekerjakan berkas atom cesium. Jam atom cesium memisahkan dari tingkat energi yang berbeda dengan medan magnet.

Hydrogen atomic clocks menjaga atom hidrogen pada tingkat energi yang dibutuhkan dalam wadah dengan dinding dari bahan khusus sehingga atom-atom tidak kehilangan keadaan energi yang lebih tinggi mereka terlalu cepat.

Rubidium atomic clocks, paling sederhana dan paling kompak dari semua, menggunakan sel segelas gas rubidium bahwa perubahan penyerapan cahaya pada frekuensi rubidium optik ketika frekuensi gelombang mikro sekitarnya tepat.

Jam atom paling akurat yang tersedia saat ini menggunakan atom caesium dan medan magnet normal dan detektor. Selain itu, atom caesium dihentikan dari zipping bolak-balik oleh sinar laser, mengurangi perubahan kecil pada frekuensi karena efek Doppler.

Bagaimana Cara Kerja Praktis Jam Atom Cesium?
Frekuensi osilasi atom memiliki karakteristik. Mungkin frekuensi yang paling akrab adalah cahaya oranye dari natrium dalam garam meja jika ditaburkan pada api. Sebuah atom akan memiliki banyak frekuensi, beberapa pada panjang gelombang radio, beberapa dalam spektrum terlihat, dan beberapa di antara dua. Cesium 133 merupakan unsur paling sering dipilih untuk jam atom.

Untuk mengaktifkan resonansi caesium atom menjadi jam atom, perlu untuk mengukur salah satu transisi atau frekuensi resonansi akurat. Hal ini biasanya dilakukan dengan mengunci suatu osilator kristal terhadap resonansi microwave pokok dari atom cesium. Sinyal ini dalam jangkauan gelombang mikro dari spektrum radio, dan kebetulan berada pada jenis yang sama frekuensi sebagai sinyal satelit siaran langsung. Insinyur mengerti bagaimana membangun peralatan di daerah ini dari spektrum dengan sangat rinci.

Untuk membuat jam, cesium adalah pertama dipanaskan sehingga atom mendidih dan mewariskan tabung dipertahankan pada vakum tinggi. Pertama, mereka melewati medan magnet yang memilih atom negara energi yang tepat, kemudian mereka melewati sebuah medan gelombang mikro intens. Frekuensi energi gelombang mikro menyapu mundur dan maju dalam kisaran yang sempit frekuensi, sehingga pada beberapa titik di setiap siklus melintasi frekuensi persis 9192631770 Hertz (Hz, atau siklus per detik). Kisaran generator microwave sudah dekat dengan ini frekuensi yang tepat, karena berasal dari osilator kristal yang akurat. Ketika sebuah atom cesium menerima energi gelombang mikro tepat pada frekuensi yang tepat, perubahan negara energi.

Di ujung tabung, lain medan magnet keluar memisahkan atom-atom yang telah diubah keadaan energi mereka jika medan gelombang mikro adalah tepat pada frekuensi yang benar. Sebuah detektor pada ujung tabung memberikan output sebanding dengan jumlah atom cesium mencolok, dan karena itu puncak dalam output ketika frekuensi gelombang mikro adalah tepat benar. Puncak ini kemudian digunakan untuk membuat sedikit koreksi yang diperlukan untuk membawa osilator kristal dan karenanya lapangan tepat pada frekuensi gelombang mikro. Frekuensi ini dikunci kemudian dibagi dengan 9192631770 untuk memberikan pulsa akrab per detik yang diperlukan oleh dunia nyata.

Kapankah Jam Atom Diciptakan?
Pada tahun 1945, Columbia University profesor fisika Isidor Rabi menyarankan bahwa jam bisa dibuat dari teknik yang dikembangkan pada tahun 1930-an disebut atomic beam magnetic resonance. Pada 1949, National Bureau of Standar (NBS, sekarang Institut Nasional Standar dan Teknologi, NIST) mengumumkan jam atom pertama di dunia dengan menggunakan molekul amonia sebagai sumber getaran, dan 1952 mengumumkan jam atom pertama yang menggunakan atom cesium sebagai sumber getaran, NBS-1.
Pada tahun 1955, National Physical Laboratory di Inggris membangun jam cesium-beam pertama kali digunakan sebagai sumber kalibrasi. Selama dekade berikutnya, bentuk-bentuk lebih maju dari jam diciptakan. Pada tahun 1967, 13 Konferensi Umum tentang Berat dan Ukuran mendefinisikan detik SI berdasarkan getaran dari atom caesium, waktu dunia menjaga sistem tidak lagi memiliki dasar astronomi pada saat itu! NBS-4, jam caesium paling stabil di dunia, selesai tahun 1968, dan digunakan dalam tahun 1990-an sebagai bagian dari sistem waktu NIST.

Pada tahun 1999, NIST-F1 mulai beroperasi dengan ketidakpastian dari 1,7 bagian dalam 10 pangkat 15, atau ketepatan sekitar satu detik dalam 20 juta tahun, sehingga jam paling akurat yang pernah dibuat (perbedaan bersama dengan standar yang sama di Paris ).

Bagaimana Waktu Jam Atom Terukur?
Frekuensi yang benar untuk resonansi cesium tertentu sekarang didefinisikan oleh perjanjian internasional 9192631770 Hz sehingga ketika dibagi dengan nomor keluaran adalah tepat 1 Hz, atau 1 siklus per detik.
Keakuratan jangka panjang dicapai oleh jam atom cesium modern (jenis yang paling umum) lebih baik dari satu detik per satu juta tahun. Hidrogen jam atom menunjukkan jangka pendek lebih baik (satu minggu) akurasi, kira-kira 10 kali ketepatan jam atom cesium. Oleh karena itu, jam atom telah meningkatkan keakuratan pengukuran waktu sekitar satu juta kali dibandingkan dengan pengukuran yang dilakukan dengan cara teknik astronomi.

http://science.howstuffworks.com/atomic-clock.htm