Como funciona um prático relógio atômico de césio?

Autor: 
Douglas Dwyer

Os átomos têm freqüências de oscilação características. Possivelmente a freqüência mais familiar é o brilho laranja do sódio no sal de cozinha se ele for espargido numa chama. Um átomo terá muitas freqüências, algumas na região do espectro eletromagnético com comprimentos de onda de rádio, algumas na região do espectro de luz visível e outras entre os dois. O Césio 133 geralmente é o elemento mais escolhido para relógios atômicos.

Algumas definições

Relógio atômico - um relógio de precisão que depende para sua operação de um oscilador elétrico regulado pelas freqüências de vibração natural de um sistema atômico (como um feixe de átomos de césio).

Fonte: Merriam-Webster Online

Átomo - a menor partícula de um elemento que pode existir só ou em combinação. O átomo é considerado como fonte de uma vasta energia potencial.

Césio 133 - um isótopo de césio usado especificamente em relógios atômicos, e uma de suas transições atômicas, é usado como um padrão científico de tempo.

Segundo - pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) - (segundo atômico) - o intervalo de tempo, através do qual se tem 9.192.631.770 oscilações do átomo de césio 133 exposto a uma excitação adequada.

Para descobrir a ressonância atômica do césio dentro de um relógio atômico, é necessário medir precisamente uma de suas transições ou freqüências ressonantes. Normalmente, consegue-se isto através de um oscilador de cristal para a ressonância principal das microondas do átomo de césio. Este sinal está na faixa das microondas do espectro das ondas de rádio e está na mesma ordem de freqüência que os sinais de satélite de transmissão direta. Os engenheiros sabem como construir o equipamento nesta área do espectro detalhadamente.

Para criar um relógio, o césio é primeiro aquecido de modo que os átomos passam a se mover de forma agitada e atravessam um tubo mantido em alto vácuo. Primeiramente, eles passam através de um campo magnético que seleciona os átomos no estado de energia correto; em seguida passam através de um intenso campo de microondas. A freqüência da energia de microondas oscila em uma estreita faixa de freqüências, de modo que, em algum ponto de cada ciclo, cruza a freqüência de exatamente 9.192.631.770Hz (ou ciclos por segundo). A faixa do gerador de microondas já se encontra próxima a essa freqüência exata, pois ela vem de um preciso oscilador de cristal. Quando o átomo de césio recebe a energia da microonda exatamente na freqüência certa, ele muda seu estado de energia.

Na extremidade do tubo, outro campo magnético separa fora os átomos que tiveram seu estado de energia modificado se o campo de microondas estivesse exatamente na freqüência correta. Um detector no final do tubo apresenta um resultado proporcional ao número de átomos de césio que chegaram até ele, e esse resultado tem um valor máximo (um pico) quando a freqüência da microonda está exatamente correta. Este pico é usado para fazer a correção fina necessária para trazer o oscilador de cristal e por conseguinte o campo de microonda na freqüência exata. Essa freqüência é então dividida por 9.192.631.770 para dar o familiar um pulso por segundo requerido pelo mundo real.