RELOJ ATOMICO



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 Para Determinar la hora o el tiempo se utilizan dos formas. El Tiempo Universal (UT1), también conocido como el tiempo astronómico y El Tiempo Atómico Internacional (TAI).

 El UT1 o tiempo universal 1 se refiere a la rotación de la Tierra. Se utiliza para comparar el ritmo proporcionado por TAI con la longitud real de un día en la Tierra.

 El TAI es una escala de tiempo que utiliza el tiempo suministrado por la media de unos 400 relojes atómicos de alta precisión en más de 50 laboratorios repartidos por varios países. Son la unidad base de la relojería moderna.

 Un reloj atómico se basa en la frecuencia de la oscilación entre dos estados de energía de determinados átomos o moléculas. Estas vibraciones nunca resultan afectadas por fuerzas externas y por eso son los más precisos. Su error se estima en un 1 segundo en miles de años, en 32.000 años.

reloj atomico

 El Sistema Internacional de Unidades (SI) define el segundo como el tiempo que tarda un átomo de cesio-133, en un estado definido con precisión, en oscilar. Exactamente:

 9 mil millones, 192 millones, 631 mil, 770 veces.

 Eso es lo que tarda en oscilar el átomo de cesio 133 en un segundo exactamente, pero luego, cuando veamos el funcionamiento del reloj atómico, veremos que es eso de oscilar exactamente.

 La precisión de los relojes atómicos es variable y está mejorando constantemente, entonces ¿Cual es el Reloj más Preciso del Mundo?. Actualmente, con un error esperado de tan sólo 1 segundo en unos 100 millones de años, el NIST-F1 en Boulder, Colorado, es uno de los relojes más precisos del mundo.

 Los relojes atómicos son responsables de la sincronización del tiempo en gran parte de nuestra tecnología, incluyendo las redes eléctricas de potencia, los GPS y el reloj de tu iPhone o SmartPhone. Es por eso por lo que vamos ha estudiar aquí el funcionamiento del reloj atómico.

 Un poco de Historia Sobre el Reloj Atómico

 A lo largo de la historia humana, el cronometraje del tiempo se ha basado en la rotación de la Tierra sobre su eje. Pero la rotación de la Tierra es irregular, por lo que el tiempo astronómico planteaba un problema: la longitud de un segundo estaba cambiando.

 En 1948 Willard Frank Libby construyó el primer reloj atómico. Su reloj era un dispositivo que utilizaba las vibraciones de moléculas de amoníaco. No era demasiado preciso pero fue un avance de lo que vendría después.

 En 1955, Louis Essen y Jack Parry diseñaron y construyeron el primer reloj atómico de cesio del mundo, en Teddington, transformando la forma en que medimos y usamos el tiempo.

 Se basaba en la oscilación producida por un átomo de cesio, y resultó que podía dar una medida mucho más minuciosa del tiempo que cualquier otro medio. Se demostró que el periodo de reloj de cesio era mucho más estable que la órbita de la Tierra. El reloj atómico de Cesio sigue siendo hoy en día el estándar de tiempo actual.

 Hoy en día, el reloj atómico de cesio NPL puede medir el tiempo con una precisión de un segundo en 158 millones de años.

 Reloj Atomico Funcionamiento

 Para explicar como trabaja un reloj atómico primero tenemos que entender como trabaja un reloj convencional, por ejemplo el reloj de péndulo. Si entendemos este reloj nos será mucho más fácil entender el atómico, ya que se basan en lo mismo, medir algo que se repita cada cierto tiempo, para determinar el valor de ese tiempo.

 En un reloj de péndulo, el tiempo se mide por el tiempo que tarda el péndulo en oscilar de un lado a otro. Esta oscilación se repite continuamente cada cierto tiempo. Esto es lo que se llama el periodo, en este caso el tiempo de la oscilación del péndulo de un lado a otro (tiempo en recorrer un ciclo). En la siguiente imagen tiempo que tarda el péndulo desde A hasta A de nuevo. Además el movimiento del péndulo se puede representar mediante una onda. Fíjate en la imagen siguiente:

periodo y frecuencia


 En el péndulo de arriba tenemos un periodo de 1 segundo, pero en el de abajo de 0,5 segundo.

 La frecuencia es el número de veces que se repite un ciclo en un segundo, se mide en (Hz) y es la inversa del periodo (f=1/T). También se llama frecuencia de resonancia, porque es el tiempo que tarda en repetirse (resonar) la onda.

 En el péndulo de arriba su frecuencia es de 1Hz, 1 vez cada segundo se repite la onda hace el recorrido completo de A hasta A de nuevo.

 En el péndulo de abajo la frecuencia es de 2Hz, porque en 1 segundo hace el recorrido de A hasta A 2 veces.

 ¿Podríamos determinar el valor de 1 segundo con el péndulo? Pues sí, mediante el periodo o la frecuencia.

 Primero con el péndulo de arriba:

 Un segundo sería el periodo del péndulo de arriba o el tiempo que tarda en realizar una onda completa.

 Ahora con el péndulo de abajo definamos un segundo:

 Un segundo sería 2 veces su periodo o el tiempo que tarda en realizar dos ondas completas.

 Esto es muy importante para entender el reloj atómico o cualquier reloj.

 Si ahora el movimiento del péndulo lo unimos a un engranaje (ruedas dentadas) que muevan una aguja por cada movimiento del péndulo, tenemos que con el péndulo de arriba la aguja se mueve una vez cada segundo. Ya tenemos nuestro contador de segundos, o lo que es lo mismo nuestro reloj de péndulo.

 El tiempo universal, por la rotación de la tierra, definía un día como el tiempo que tarda la tierra en dar una vuelta sobre sí misma (tiempo que tarda el sol en salir y volver a salir en un punto de la tierra). Eso es un día y se divide en 24 horas, cada hora en 60 minutos y cada minuto en 60 segundos. Este medición del tiempo no era muy exacta porque la tierra no tarda siempre lo mismo en dar una vuelta sobre sí misma. Tiene un error cada cierto tiempo.

 La definición de segundo con el péndulo es más exacta, pero el problema es que la construcción del péndulo depende del hombre y también tiene errores. La gravedad, el aire, etc. hay muchas cosas que le puede afectar y llevar a error.

 Es por eso que se intentó definir el segundo con algo que se repitiera constantemente de la misma forma y que fuera algo natural, sin depender del hombre y que no le pudiera afectar otras causas. Ahí aparece el reloj atómico.

 Recordamos que lo átomo tienen un núcleo y electrones girando alrededor del núcleo en diferentes órbitas. Estas órbitas también se llaman niveles de energía, porque los átomos de una misma órbita tienen la misma energía.

 Al absorber o liberar la cantidad exacta de energía, los electrones pueden 'saltar' de un nivel de energía a otro. Esto se denomina una transición.  Los electrones absorben energía para pasar a un nivel de energía más alto (órbita más lejos del núcleo), y liberan energía para bajar un nivel de energía (órbita más cercana al núcleo). Para saber más sobre esto visita el siguiente enlace: Configuración Electrónica de los Elementos.

 La energía liberada o absorbida en estas transiciones toma la forma de radiación electromagnética (por ejemplo luz visible o las radiaciones del microondas). Estas radiaciones también forman una onda similar a la del péndulo. Resulta que en una misma transición (paso de un órbita a otra) se libera la misma cantidad de energía siempre, sin importar cuántas veces se mida.

 Al igual que con todas las ondas, como la del péndulo, la radiación emitida por los electrones de un átomo en una transición tiene una cierta frecuencia, es decir las veces que se repite la onda de la radiación emitida por segundo, similar al péndulo que se repetía su movimiento cierto número de oscilaciones (veces) en un minuto o segundo. Su frecuencia se puede medir también.

 Esto significa que un reloj puede estar basado en este periodo o frecuencia, de una manera similar a un reloj basado en el balanceo de un péndulo.

 En un reloj atómico, la onda de la energía de transición de los electrones de un átomo actúan como el péndulo de un reloj, se repite cada segundo y siempre con la misma frecuencia (en el mismo tiempo). Sin embargo, los relojes atómicos son mucho más preciso que los relojes convencionales debido a que las oscilaciones atómicas tienen una frecuencia mucho más alta (se repite más veces por segundo) y son mucho más estables. Además su repetición, periodo o frecuencia es algo natural sin depender de factores externos, y es siempre la misma, esto lo hace mucho más preciso.

 El Sistema Internacional de Medidas (SI) define el segundo con la transición de un átomo de Cesio 133 (isotopo del Cesio).

 "9 mil millones, 192 millones, 631 mil, 770 veces el periodo de la radiación electromagnética emitida o absorbida por la transición hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio". ¿No lo entiendes? Pues más fácil:

 "Un segundo es la cantidad de tiempo que tarda la radiación de esta transición, la del cesio, en realizar:
 9. 192. 631. 770 ondas completas". Esta definición se estableció por el SI en 1967 para todo el mundo.

 Con el átomo de cesio este número nunca va a cambiar, lo que significa que se trata de un método mucho más fiable que el del movimiento del sol o la tierra usado anteriormente, o el propio péndulo que depende de la fabricación humana. Se estima un error de 1 segundo en miles de años, en 32.000 años.

 Siguiendo con el símil del péndulo, al péndulo le llamamos resonador u oscilador (el que repite el movimiento cada cierto tiempo) y el engranaje es el que nos marca las resonancias, es decir nos marca cada vez que se repite el movimiento del péndulo. La resonancia quiere decir cada vez que se repite el mismo movimiento, el balanceo del péndulo (repeticiones).

 El péndulo por lo general resuena a una frecuencia de una oscilación por segundo (en la imagen de antes sería el péndulo de arriba). Un reloj digital utiliza las oscilaciones de un cristal de cuarzo usado como resonador, y cuenta con el uso de contadores digitales para marcar las resonancias (repeticiones). La precisión del reloj está determinada por la precisión del resonador, el cristal.

 Para un reloj atómico, el oscilador (péndulo) está formado por los mismos átomos que lo componen, y a diferencia de otros tipos de osciladores, el período no se establece por la construcción humana, sino que proviene de la naturaleza mecánica cuántica del átomo mismo. Esto lo hace mucho más preciso.

 Esto es el principio de funcionamiento del reloj atómico, pero vamos a ver como se construye exactamente un reloj atómico para que haga todo lo explicado hasta aquí.

 Hay muchos tipos diferentes de relojes atómicos, pero por lo general comparten el mismo principio básico de trabajo, que se describe a continuación para el de cesio.

 Reloj Atómico de Cesio

  En primer lugar, los átomos se calientan en un horno y son agrupados en un haz de átomos (rayo). Cada átomo tiene uno de dos posibles estados de energía. Estos estados energéticos de los átomos se conocen como niveles hiperfinos de energía, pero llamémoslos el estado A y el estado B para simplificar.

reloj atomico de cesio
 A continuación, un campo magnético elimina todos los átomos que estén en el estado B (filtro), por lo que sólo átomos en el estado A permanecen. En el estado B no hay átomos.

 Los átomos de estado A se envían a través de un resonador donde se someten a radiación de microondas, lo que desencadena que algunos de los átomos pasarán al estado B ya que sus electrones cambiarán de estado o nivel de energía a uno mayor al absorber la energía de microondas.

Detrás del resonador, los átomos que están todavía en el estado A se eliminan mediante un segundo campo magnético. Un detector cuenta  todos los átomos que han cambiado al estado B.

 El porcentaje de átomos que cambian su estado mientras que pasa a través del resonador depende de la frecuencia de la radiación de microondas.

 El objetivo es sintonizar perfectamente la frecuencia de microondas a la oscilación de los átomos, y luego medirlo. Después de exactamente 9192631770 oscilaciones, ha pasado un segundo exacto.

 Resumiendo:

 - Los átomos de cesio se pulverizan en alto vacío desde la fuente.

 - Un Filtro permite sólo un tipo de átomo (los del estado A) y estos entran en la cavidad de radiaciones de microondas.

 - Estas radiaciones excita los átomos a la frecuencia correcta de microondas, lo que causa un cambio hiperfina cuántica (excitación) en los átomos.

 - El Filtro B sólo permite alcanzar el detector y ser contados los átomos que cambiaron de estado.

 - El mecanismo de control utiliza la señal del detector para ajustar la frecuencia de microondas hasta que se ven solo los átomos que han cambiado.

 - Esta frecuencia, frecuencia de transición hiperfina natural de los átomos, se cuenta para determinar la longitud de un segundo.

 - Utiliza esa señal para calcular que cada 9192631770 oscilaciones (en el caso de Cs-133) representan uno segundo.

 Hoy en día, aunque hay diferentes tipos de relojes atómicos, el principio detrás de todos ellos sigue siendo el mismo. La principal diferencia está asociada con el elemento utilizado y los medios de detección cuando cambia el nivel de energía. Los diversos tipos de relojes atómicos incluyen de cesio 133, de hidrógeno y de Rubidio.

 Para lograr el mayor nivel posible de precisión, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas combina la salida de unos 400 relojes atómicos en 69 laboratorios nacionales en todo el mundo para determinar el TAI. La escala de tiempo es ponderada, dando prioridad a la señal horaria proporcionada por las instituciones que mantienen la más alta calidad.


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