מדוע מדענים בונים שעון גרעיני? בגלל שעונים אטומיים אינם מושלמים

המשימה של בניית שעון זה שומר במדויק הזמן הוא לגמרי בניגוד שעון. שעונים רגילים עוזרים לשרת אותנו בצורה די טובה לצרכים מעשיים יומיומיים, אך מחקר מדעי וטכנולוגיה המבוססים על מדידות רגישות דורשים שעונים המסוגלים לאמוד את חלוף הזמן במדויק. לפיכך, מדענים המציאו שעונים אטומיים - ובעוד הם מדויקים יותר בזמן שמירה על זמן מאשר במערכות קונבנציונאלי, נותר מקום משמעותי לשיפור. עכשיו, מדענים נעים מן העולם האטומי הגרעיני. מחקר חדש שפורסם ב הטבע מראה כי הפיזיקאים הגרמניים פיתחו שעון שעלול לאבד פחות מעשירית השנייה כל 20 מיליארד שנה. זה - תלוי איך מסתכלים על זה - 10 פעמים טוב יותר מאשר טכנולוגיות אטומיות הנוכחי

אבל לפני שאנחנו מכנים שעונים אטומיים מיושנים, הבה נבחן את מה שעושה אותם שונים מאבות אבות המטוטלת.

כל שעון משתמש מהוד כדי לעקוב אחר הזמן. מהוד הוא מנגנון, כי למען פישוט, "מתקתק" על בסיס קבוע. שעונים ישנים השתמשו במטוטלת ובהילוכים כמו מהוד. שעונים דיגיטליים להשתמש תנודות על קו החשמל או של גביש קוורץ כמו מהוד. שעון אטומי לוקח את הרעיון הזה כמה צעדים קדימה באמצעות תדרים תהודה של אטומים עצמם מהדהד. במערכת זו, מהוד הוא מוסדר על ידי קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת על ידי המעבר הקוונטי של אטום. במילים אחרות, שעון אטומי עוקב אחר הזמן על ידי מדידת השינויים האנרגטיים בחלקיקים אטומיים.

עבור אלמנטים מסוימים ואת האיזוטופים שלהם, זה קורה בתדרים עקבית. Cesium-133, למשל, מתנודדת בדיוק ב -9,192,631,770 מחזורים בשנייה. בגלל זה הוא שימש כדי לבנות את השעון האטומי הראשון במעבדה הלאומית פיסיקלית בבריטניה, בשנת 1955.

מאז, מספר ההתקדמות הטכנולוגית הובילה שעונים אטומיים מדויקים יותר - כולל קירור לייזר השמנה של אטומים, ספקטרוסקופיה לייזר מדויק יותר, וכן להבין אלמנטים איזוטופים אחרים המציגים תדרים אפילו יותר עקבי התהודה. בעל הרשומה הנוכחי עבור הבסיס המדויק ביותר אטומי השעון קריאות על יונים ytterbium.

הסיבה שעונים אטומיים כל כך קריטי יש לעשות עם העובדה כי השעון למדוד את הזמן בצורה שונה על הגבהים שונים. ככל שהשעון רחוק יותר ממקור הכובד העיקרי, הזמן המהיר עובר (כלומר שעון יפעל מהר יותר מהר מאשר בגובה פני הים). ההבדל הוא לכאורה זניח, אבל יכול להוסיף עד כמה זמן עובר.

כל כך הרבה של הטכנולוגיה שלנו בימים אלה פועלת כמו יישומים גלובליים, כמו GPS. על מנת להבטיח שהם פועלים באותו זמן לא משנה איפה מישהו, הם צריכים להיות קשור ישירות לשעון מדויק. אין דרך טובה יותר להבטיח מאשר להשתמש שעונים אטומיים כסטנדרט. במחקר האחרון, צוות המחקר הגרמני מתאר רעיון למדוד ישירות את תנודות הגרעין האטומי של האלמנט עצמו (בניגוד לאלקטרונים המקיפים את הגרעין). שעון אטומי המבוסס על עיצוב זה יכול להימנע מלהיות מושפעים על ידי כוחות חיצוניים. צוות המחקר מזהה מצב עירור באיזוטופ של תוריום, Th-229m, שיכול לעבוד - וממחיש ממצאים ניסיוניים התומכים ברעיון זה.

יש רק בעיה אחת: Th-229m לא מתרחשת באופן טבעי. אף על פי שתוצאות המחקר החדש מרשימות בכל זאת, לא ברור בדיוק כיצד יכולים חוקרים לאסוף מספיק מטוסי 229m כדי לבנות ולשמר שעון גרעיני. החוקרים נגזרו Th-229m במקרה זה באמצעות אורניום 233 כמקור. זה לא תהליך קל.

אם המדענים יבינו כיצד לפתור את הבעיה הקטנה הזו וליצור כמות בת קיימא של ה- 229 מ ', אנו מסתכלים על דור חדש של שעונים אטומיים, אשר ללא ספק ישחקו תפקיד מרכזי ככל שנבנה יותר ויותר טכנולוגיה המשתרעת על פני כדור הארץ משרת אנשים בכל פינה בעולם.