Đồng hồ nguyên tử là gì? Tìm hiểu về đồng hồ Citizen nguyên tử

11/05/2019 - Tác giả: Quang Ninh
Đồng hồ nguyên tử là gì? Tìm hiểu về đồng hồ Citizen nguyên tử
Đồng hồ nguyên tử là đồng hồ điều chỉnh thời gian theo trạng thái dao động của nguyên tử. Tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được, vì vậy đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ chính xác nhất cho tới nay.

1. Lịch sử của đồng hồ nguyên tử

1949, đồng hồ nguyên tử đầu tiên hoạt động theo chuyển động của phân tử Amoniac được chế tạo bởi Viện tiêu chuẩn và kĩ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST, trước kia NBS).

1955, nhà vật lý học Louis Essen Jack Parry chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử hoạt động theo chuyển động nguyên tử cesium (133Cs) tại phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL)

1967, “đồng hồ nguyên tử 133Cs” trở thành tiêu chuẩn để xác định một giây trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế. Trong số các đồng vị khác nhau của các nguyên tử Cesium, 133Cs là đồng vị duy nhất không phát ra các tia phóng xạ, tồn tại ở trạng thái ổn định trong tự nhiên.

Lịch sử của đồng hồ nguyên tử

Louis Essen (bên phải) và Jack Parry (bên trái) đứng cạnh đồng hồ nguyên tử đầu tiên trên thế giới

Ngày nay, ngoài nguyên tử 133Cs; nguyên tử Rubidi, Hydro và các nguyên tử hay phân tử khác đã được dùng, độ chính xác ngày càng cao hơn.

2. Ứng dụng của đồng hồ nguyên tử trong cuộc sống

Trước khi phát minh ra đồng hồ nguyên tử, khái niệm chuẩn cho 1 giây đồng hồ chỉ là tương đối và dụng cụ đo thời gian thời bấy giờ chỉ là những chiếc đồng hồ cơ thủ công. Một chiếc đồng hồ cơ chính xác nhất có độ sai số khoảng từ -4 đến +6 giây/ngày còn đồng hồ pin tốt nhất có độ chính xác +-2 giây sau 10 ngày,  vừa đủ cho người bình thường sử dụng, nhưng không đủ độ ổn định chính xác để áp dụng cho các công cuộc theo dõi lâu dài các công trình nghiên cứu khoa học tự nhiên. Các nhà khoa học cần một công cụ đo thời gian có độ chính xác gần như tuyệt đối, một chuẩn mực tuyệt đối cho một giây là bao nhiêu để áp dụng cho các máy móc, công nghệ hiện đại như GPS, vệ tinh, internet, máy tính, laptop, điện thoại di động, v.v… hoạt động chính xác theo chuẩn mực ấy.

Với sự ra đời của đồng hồ nguyên tử, các nhà khoa học đã có thể đưa ra mức tiêu chuẩn cho đơn vị một giây. Những chiếc đồng hồ trên các thiết bị di động của chúng ta đều dựa trên tín hiệu từ Vũ trụ gửi về từ mạng lưới 24 vệ tinh GPS, theo dõi thời gian bằng bốn chiếc đồng hồ nguyên tử được đặt trên đó.

3. Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử

Như đã nói ở trên, đồng hồ nguyên tử điều chỉnh thời gian theo trạng thái hoạt động của nguyên tử. Loại nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử đã thay đổi liên tục theo thời gian kể từ khi loại đồng hồ này ra đời. Bắt đầu là phân tử Amoniac, hiện tại là Cesium, Rubidium, Hydro, Strontium,.. Hiện nay, “đồng hồ nguyên tử Cesium-133” trở thành tiêu chuẩn để xác định một giây trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử

Lịch sử về độ chính xác của đồng hồ nguyên tử do NIST cung cấp

Steve Jefferts và Tom Heavner

Nhà vật lý Steve Jefferts (đằng trước) và Tom Heavner với chiếc đồng hồ nguyên tử Cesium NIST-F2

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử được giải thích như sau: ?Các electron bay quanh hạt nhân của một nguyên tử đều có một mức năng lượng ổn định. Nhưng có thể thay đổi quỹ đạo bay của của electron bằng cách thêm năng lượng vào hệ thống đang ổn định này, khiến cho electron "nhảy số" năng lượng lên một mức cao hơn, tạo ra một bức xạ điện từ. Nguyên tử khác nhau có khả năng hấp thụ năng lượng khác nhau, tạo ra bước sóng khác nhau. ? Cesium-133 có sóng dao động với tần số khoảng 9.192.631.770 vòng/giây. Khi cesium-133 nhận vi sóng với tần số trên, nó khiến electron ở ngoài cùng biến đổi trạng thái năng lượng với cùng tỷ lệ trên. ? Hiểu một cách đơn giản, thì năng lượng vi sóng tạo ra dao động, cứ 9.192.631.770 lần thì đồng hồ sẽ hiển thị một giây. Hay trong một giây nguyên tử 133Cs chuyển đổi giữa 2 trạng thái năng lượng 9.192.631.770 lần. ? Phần chính của đồng hồ nguyên tử là một máy cộng hưởng vi sóng. Máy có thể tự điều chỉnh tần số (khi có chênh lệch nhỏ) và so sánh với tần số bức xạ nguyên tử, khi hai giá trị này bằng nhau, máy dò sẽ nhận được một tín hiệu cực đại, 9.192.631.770 tín hiệu sẽ cho ra 1 giây. ? Độ chính xác của máy cộng hưởng vi sóng thường có giá trị khoảng  10−14 (chênh lệch 1 giây sau 3 triệu năm).

4. Ý nghĩa của đồng hồ nguyên tử với khoa học

Theo Albert Einstein, người cha đỡ đầu của học thuyết tương đối: vũ trụ là một chiếc đồng hồ khổng lồ hoạt động theo những nguyên lí bất di bất dịch. Thời gian hay không gian cũng phải phục tùng những nguyên lí ấy. Lực hấp dẫn ảnh hưởng đến dòng chảy của thời gian. Thời gian trôi chậm với trọng lực mạnh. Bây giờ, ảnh hưởng này đã được đo trực tiếp. Trong thế giới đồng hồ, còn chiếc đồng hồ nào chính xác hơn những chiếc đồng hồ hoạt động bằng chính sự vận động của nguyên lí tự nhiên.

“Đồng hồ nguyên tử Cesium-133” sai 1 giây trong vòng 300 triệu năm. Cũng đã có những chiếc đồng hồ nguyên tử quang học (đo thời gian theo tần số ánh sáng hay vì tần số sóng điện từ của các loại nguyên tử) chỉ lỗi 1 giây trong vòng 30 tỷ năm được dự báo là kỷ nguyên tiếp theo của những chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác bậc nhất. Ba mươi tỷ năm là gấp bảy lần tuổi của trái đất và gấp đôi tuổi của vũ trụ kể từ vụ nổ Big Bang. (Trái đất được sinh ra 4.6 tỷ năm trước và vũ trụ hiện nay là 13.8 tỷ năm trước).

Vậy độ chính xác cao như vậy được sử dụng để làm gì? Câu trả lời đó là độ chính xác này được ứng dụng thực tế cho các loại đồng hồ yêu cầu độ chính xác cực cao, công nghệ định vị (GPS), công nghệ truyền thông và chính xác được cải thiện đáng kể (ví dụ như cáp quang) với khả năng cải tiến rất lớn đang được nghiên cứu.

Space Hydrogen Maser

Đồng hồ nguyên tử Space Hydrogen Maser được sử dụng trong các vệ tinh ESA Galileo làm đồng hồ chính cho hệ thống định thời gian trên tàu

?Đồng hồ nguyên tử được ứng dụng trong tên lửa, máy bay không người lái, và đặc biệt là đo thời gian để xác định khoảng cách trên vệ tinh trong các hệ thống định vị như GPS, GLONASS hay Galileo.

5. Đồng hồ đeo tay nguyên tử có hay không và “đồng hồ Citizen nguyên tử”

Bộ máy cho đồng hồ nguyên tử rất lớn, vận dụng rất nhiều công suất và chúng không thể gói gọn vỏn vẹn trong một chiếc đồng hồ đeo tay được. Tuy nhiên, thay vì sở hữu một chiếc đồng hồ nguyên tử, chúng ta vẫn có thể sở hữu dòng đồng hồ đeo tay có thể tự động bắt tín hiệu, cập nhật thông số từ đồng hồ nguyên tử từ các trạm radio. Những dòng đồng hồ này được gọi là đồng hồ Radio Controlled rất nổi tiếng của thương hiệu Citizen hay còn gọi là “đồng hồ Citizen nguyên tử”.

►►► 199+ mẫu đồng hồ Citizen Eco-Drive: https://xwatch.vn/dong-ho-citizen

Citizen Radio Controlled

Dòng đồng hồ Radio Controlled nổi tiếng của Citizen Nhật Bản

Xét về độ chính xác, các đồng hồ nhận tín hiệu Radio thường phải chịu sự chậm trễ quá cảnh khoảng 1 mili giây cho mỗi khoảng cách 300 km từ thiết bị phát sóng vô tuyến mà nó nhận. Tuy có sự chậm trễ dẫn đến sai lệch so với đồng hồ nguyên tử nhưng đây vẫn là độ chính xác cực kỳ cao đối với thiết bị đeo tay.

Trên đây là những kiến thức về đồng hồ nguyên tử và giới thiệu loại “đồng hồ Citizen nguyên tử”. Hy vọng chúng hữu ích với bạn. Cùng tiếp tục đón đọc những bài viết tiếp theo tại Xwatch.vn để tìm hiểu về thế giới đồng hồ! Mọi thắc mắc và tư vấn về đồng hồ chính hãng xin liên hệ 1900.0325!


Đánh giá - Bình luận
0 bình luận, đánh giá về Đồng hồ nguyên tử là gì? Tìm hiểu về đồng hồ Citizen nguyên tử

TVQuản trị viênQuản trị viên

Xin chào quý khách. Quý khách hãy để lại bình luận, chúng tôi sẽ phản hồi sớm

Trả lời.
Thông tin người gửi
Nhấn vào đây để đánh giá
Thông tin người gửi
Khách hàng nói gì về xwatch
MC Thái Tuấn
Tôi thực sự an tâm và tin tưởng vào chất lượng dịch vụ của XWatch. Lần đầu tiên thấy chiếc đồng hồ của mình được chăm...
MC Thái Tuấn
MC Thái Tuấn
Đài THVN
Nhạc sĩ Dương Khắc Linh
Điều mà Linh ấn tượng nhất là chế độ bảo hành 5 năm theo tiêu chuẩn Thuỵ Sĩ cho cả lỗi người dùng. Điều này không phải...
Nhạc sĩ Dương Khắc Linh
Nhạc sĩ Dương Khắc Linh
Nghệ sỹ Xuân Bắc
Tôi ủng hộ những người đặt lợi ích của khách hàng làm mục tiêu phấn đấu. Vì vậy, tôi đã ủng hộ và lựa chọn XWATCH.
Nghệ sỹ Xuân Bắc
Nghệ sỹ Xuân Bắc
0.07803 sec| 2390.008 kb