STEP #05 - Il principio fisico

Vediamo ora di analizzare brevemente il principio fisico che permette all'orologio atomico di essere così preciso.

Prima di tutto è bene chiarire cos'è la struttura iperfine. Essa si definisce come la separazione dei livelli energetici atomici in sotto-livelli più fitti che si discostano di piccolissime quantità di energia. Questa separazione deriva dall'energia di interazione del dipolo magnetico nucleare con il campo magnetico generato dal moto degli elettroni e l'energia del momento di quadrupolo elettrico nucleare e il gradiente di campo elettrico dovuto all distribuzione della carica nell'atomo. Essa è una rappresentazione dei livelli energetici migliore della struttura fine, che viene però usata come prima approssimazione. La frequenza di transizione è calcolata semplicemente dall'equazione di Planck come f = ΔE/h, e nel caso del cesio-133 è 9 192 631 770 Hz.

 

 

L'orologio è basato su un circuito di retroazione di controllo detto servosistema che regola la frequenza di un oscillatore/trasmettitore sulla frequenza della suddetta transizione (in figura lo schema a blocchi della retroazione). Questo trasmettitore emette delle onde stazionarie che vanno a riempire un tubo a vuoto (magnetron). Se la frequenza di queste onde coincide esattamente con la frequenza di transizione, allora gli elettroni del cesio assorbono la radiazione salendo al livello energetico più alto e la riemettono sotto forma di onde luminose, tornando allo stato di riposo; in questa condizione l'intensità della luce è massima. Se invece la frequenza delle onde non coincide, la luce prodotta dal cesio avrà intensità minore perché non assorbirà tutta la radiazione; in tal caso una fotocellula rileva l'abbassamento di tale intensità e lo comunica al circuito, che riporterà la frequenza su quella desiderata al fine di raggiungere di nuovo la massima intensità.