原子钟（atomic clock）

原子钟的原理同其他钟一样，都是利用固定周期的振荡或摆动来维持测量时间的精确

度的。普通时钟的振荡频率会有轻微的改变，从而造成了时间不精确，而原子钟由于采

用了原子振荡频率，可以获得极高的时间精确度。

  原子钟是利用铯、铷等原子稳定的振荡频率制成的极精密的计时器，准确度极高。

格林威冶时间和北京时间时间基准均取自于原子钟。美国的标准原子钟称为NIST- F1，

三千万年才会误差一秒种。原子钟用在对时间要求特别精确的场合，比如全球定位系

统（GPS Global Positioning System），及互联网的同步都采用了原子钟。世界各地

分布了一定数目的原子钟，用来测定格林威治时间。从1952年的NBS-1到1999年的NI

ST-F1，在几十年时间里，原子钟作为标准美国时间的计量基准，致力为2.8亿美国人

提供最精确的时间。2001年，美国成功制造出了震动频率为每秒千的五次幂的光

学原子钟。这一成果发布于《科学》杂志之上，立时便引起了科学界的轰动。　

  1945年，哥伦比亚大学的伊西多·伊萨克·拉比提出，可运用其在30年代发明的

 原子束磁共振技术来制造原子钟。1952年NIST（美国国家标准与技术研究所）

制成了第一台铯原子钟，它被命名为NBS-1。这一命名规则被延续下来，直到19

75年的NBS-6(它的下一代名为NIST-7，再下一代则为NIST-F1)。NBS-6的精确程度

已经可以达到在30万年的时间中，既不会快1秒，也不会慢1秒了。

  铯原子钟的工作原理

 每一原子都有自己的特征振动频率(特征谱线）。譬如当食盐被喷洒到火焰上时食盐中

的元素钠会发出的桔黄色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，

一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地选用作原子钟。

将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定

晶体振荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范

围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十

分在行。为了制造原子钟，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一

过程中，首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通

过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在

每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振荡器所产生

微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波

能量时，能量状态将会发生相应改变。在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那

些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管

尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波

场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波

场正好处在正确的频率。这一锁定频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世

界需要的每秒一个脉冲。

　第一台商用铯原子钟由美国马萨诸塞国家公司制作。现在，Frequrency Electron

ics，FTS，以及惠普公司都生产商用原子钟。由于原子钟体积太大，耗费能量过高，因

此以前一直无法商用。最近，NIST克服了传统原子钟的这些缺点。新型的原子钟体积

同一粒米差不多大小，准确度为126年每秒（经过126年时间才会相差一秒），可

以用在计算机芯片以及商用手持设备中，比如收音机，GPS系统以及蜂窝电话等

等。
  

   天文台运行中的铯原子钟除提供天气预测及警告服务外，天文台还有报时服务。我们

每日在电台广播中收听到的报时信号便是由天文台发出的。