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石英钟和原子钟秒差揭秘:精准度比肩宇宙大爆炸!

2年前 (2023-06-06)原子钟科普692

  本文将深入探究石英钟和原子钟的精准度,以及这两种钟表的秒差揭秘。这些钟表的精准度之高,甚至可以比肩宇宙大爆炸,为我们的日常生活和科学研究提供了极为重要的帮助。接下来,我们将分别从基本原理、历史发展、工作原理及未来发展四个方面详细阐述石英钟和原子钟。

  

1、基本原理

石英钟:石英钟的基本原理是将石英晶体作为振荡器,通过电脉冲来稳定驱动石英晶体的振荡频率。在石英晶体拉伸或压缩时会产生电荷,经过集电极和放大器处理后,被反馈回振荡器,不断产生稳定的振荡。

石英钟和原子钟秒差揭秘:精准度比肩宇宙大爆炸!

  原子钟:原子钟的基本原理则是利用原子的共振吸收性质,通过测量原子中电子的跃迁频率来计算时间。以氢原子为例,原子钟通过向氢原子放射出恰好能够让其电子跃迁的电磁波,测量这些电磁波的频率,便可以精确地计算时间。

  两者在基本原理上的差异,决定了它们在精准度上也会有很大的差别。

  

2、历史发展

石英钟:石英钟的发展始于20世纪初,最初是为了在无线电通讯中精确测量无线电波的频率,而后被应用于钟表制造领域。1948年,第一台石英钟面世,它的精准度达到了当时标准计时装置的百万分之一,使得石英钟成为当时最准确的钟表。

  原子钟:原子钟则得益于原子物理学的发展。1955年,美国国家标准局的路易斯基硕士发明了氢原子标准,即氢原子的微波共鸣技术,使得原子钟的计时精度达到了5千万分之一秒。

  两种钟表的历史发展都是与物理学领域的发展紧密相关,随着科技的进步,石英钟和原子钟的精准度也在不断提高。

  

3、工作原理

石英钟:许多手表、挂钟、钟塔中的石英钟都是靠电池驱动的。石英钟的电路板上,将晶体谐振器与分频器(divider)电路紧密结合。晶体振子的周期极其稳定,其振荡频率近乎稳定,一般可达到每秒32768次。由分频器迅速地将32768次的震荡分为1秒内的计时脉冲,控制液晶面板或LED发光管的计时显示。

  原子钟:原子钟的内部结构非常复杂,由振荡器、放大器、反馈网络、计数机、数字处理机等组成。计时的基本单位是铯原子基态的两个能级之间的跃迁所对应的微波辐射的周期。原子钟的精度,取决于放大器电路的带宽和系统时钟的不稳定性,时钟的稳定性在铯钟当中,甚至可以达到一亿分之一秒的误差或者更小。

  可以看出,原子钟的工作原理更为复杂,但同时也能够提供更为准确的时间信息。

  

4、未来发展

石英钟:目前,石英钟在许多领域都已经得到了广泛应用,例如GPS卫星定位,计算机芯片设计等等。未来的发展重点将会在微型化、个性化、实用化等方面。

  原子钟:原子钟目前已成为计时精确度的国际标准,随着科技的发展,原子钟的精准度也在不断提升,例如利用更为精确的原子加速器、更稳定的晶体振荡器等技术的应用,可以进一步提高原子钟的精准度。

  总结:

  石英钟和原子钟的秒差揭秘,揭示了它们精准度的高低差异,以及它们基本原理、历史发展、工作原理和未来发展。石英钟和原子钟都在其各自领域发挥着重要作用,它们为我们的生活和科学研究提供了精密的时间计量标准。

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