¿Hay algo de cierto en interpretar la definición de segundo como correspondiente a las oscilaciones?

Question

Según tengo entendido, la definición de segundo , el átomo de Cs-133 tiene dos estados básicos hiperfinos (que no entiendo muy bien lo que son, pero no es realmente importante), con una diferencia de energía específica entre ellos. Cada vez que el átomo pasa del estado de mayor energía al de menor energía, la diferencia de energía se libera en forma de fotón. Un fotón con esa energía equivale a una radiación EM de una frecuencia específica. Un segundo se define entonces como 9192631770 dividido por esta frecuencia.

En muchos sitios veo gente que afirma que el átomo de cesio oscila entre los dos estados, pasando de uno a otro 9192631770 veces por segundo, y que en esto se basa la definición. Esto no tiene sentido para mí, y parece incompatible con la interpretación anterior, que se basa en la energía de una única transición, no en transiciones rápidas. Así que normalmente lo descarto y/o corrijo a la persona que afirma esto.

Cuando vi que la interpretación de las "oscilaciones" se repetía en un vídeo por el popularísimo Vsauce, empecé a pensar que quizá me había equivocado. ¿Quizás, después de todo, el segundo se define por las oscilaciones? ¿O tal vez las dos interpretaciones sean de algún modo equivalentes?

Entonces, ¿hay algo de cierto en la descripción de Vsauce? Y si no, ¿por qué es tan popular la idea errónea de las oscilaciones?

Answer 1

La definición para el reloj de cesio es:

9192631770 ciclos por segundo es la frecuencia de las ondas de radio que provocan la máxima resonancia, una condición físicamente medible, en los átomos de cesio.

Corresponde a una sintonización particular de la radio. Mantenerla sintonizada proporciona la frecuencia de referencia citada.

Answer 2

Tienes razón y el vídeo está equivocado. De hecho, si los átomos de cesio oscilaran constantemente entre los dos estados hiperfinos, ¡los relojes de haz de cesio no funcionarían en absoluto!

En su forma más simple Un reloj de haz de cesio utiliza un imán para separar un flujo de átomos en dos corrientes en función de su estado hiperfino; se selecciona un estado para que continúe por el tubo y se exponga a un campo magnético oscilante en el rango de las microondas, y los demás se desperdician. Después de la cámara de microondas, el flujo se vuelve a separar magnéticamente, y uno de los estados (que difiere del estado seleccionado la primera vez en una determinada energía) choca con un blanco que responde a los átomos de cesio produciendo una señal eléctrica.

El efecto es algo parecido al de los polarizadores cruzados de una pantalla LCD. Como se selecciona un estado antes de la cámara de microondas y otro diferente después, no hay señal a menos que los átomos cambien de estado entre medias. "Normalmente, esto no ocurre, pero si el tubo de microondas bombardea los átomos con la energía que corresponde a la transición hiperfina deseada, entonces algunos de los átomos absorberán energía, harán la transición y serán detectados en el extremo lejano. Incorporando el haz y el detector al bucle de control de un oscilador variable, la frecuencia de microondas puede mantenerse en la frecuencia que provoca la transición hiperfina, independientemente de las condiciones externas.

La parte de esto que es crucial para tu pregunta es la afirmación de que los átomos de cesio no cambian de estado entre los selectores A y B a menos que algo lo provoque. Si cambiaran de estado a >9GHz, pequeñas variaciones en los tiempos de viaje de los átomos (que se mueven a cientos o miles de m/s, pero ni de lejos a la velocidad de la luz) darían lugar a una señal completamente aleatoria en el detector. En cambio, obtenemos una señal coherente porque la tasa de transiciones hiperfinas espontáneas es pequeña en comparación con el tiempo que pasan los átomos en el tubo. Cualquier tipo de interacción que pueda alterar el estado hiperfino de un átomo reduce la sensibilidad del reloj, y la eliminación de estas interacciones es una parte importante de la maximización de la precisión.

Answer 3

Sí, realmente oscilan entre dos estados diferentes (no simplemente se mueven en una dirección), pero como sospechas no oscilan a la frecuencia de referencia.

En lugar de "sólo" enviar radiación a los átomos para que la absorban, éstos también interactúan con un campo magnético oscilante (que está en la frecuencia de referencia). Este campo incita a algunos átomos a absorber o emitir radiación. Por tanto, las condiciones internas conducen a ambos estados.

Encontrará una descripción bastante técnica de un reloj de cesio en leapsecond.com

Algunos de los puntos relevantes de la misma:

Un campo de radiación aplicado de frecuencia adecuada a la transición. en discusión induce a los átomos en el estado F = 4 a emitir un cuanto de energía, y a los del estado F = 3 a absorber un cuanto de energía; tras dicha transición, sus momentos magnéticos se invierten, y se dice que se han invertido.

[...]

La componente magnética del campo de microondas inyectado los átomos. Si la frecuencia está en la frecuencia de transición 9.192.631.774,3133 Hz, los átomos pasan al otro estado de energía de transición. de transición. Dado que su momento magnético efectivo se invierte en su dirección, se produce un segundo selector de estado. su dirección, un segundo imán selector de estado, el imán "B", puede desviar selectivamente los átomos hacia el detector.