Đồng hồ nguyên tử

Nhưng khi đồng hồ điện tử thạch anh bắt đầu phổ biến thì cũng là lúc đồng hồ nguyên tử ra đời, ban đầu thì còn cồng kềnh phức tạp, ít nơi làm được nhưng đến cuối thế kỷ 20 đã bắt đầu phổ biến. Trong đời sống bình thường của chúng ta hiện nay ở thế kỷ 21, tuy vẫn dùng đồng hồ điện tử thạch anh là chính nhưng thực tế rất nhiều trường hợp ít ai để ý là người ta vẫn căn cứ vào đồng hồ nguyên tử để “lấy giờ” cho đồng hồ thạch anh.

Chúng ta tìm hiểu cấu tạo và hoạt động của đồng hồ nguyên tử để rồi xét xem đồng hồ nguyên tử có vai trò như thế nào trong đời sống khoa học - kỹ thuật ngày nay.

1. Đồng hồ nguyên tử làm việc theo nguyên lý nào?

Đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên cơ sở kích thích cho nguyên tử phát ra sóng điện từ có tần số rất nhất định và lấy chu kỳ dao động của sóng điện từ đó làm chuẩn để đo thời gian. Để hiểu cách kích thích cho nguyên tử phát ra sóng điện từ, trước hết chúng ta nhớ lại mô hình nguyên tử của Bohr. Trước Bohr, Rutherford đã đưa ra ý tưởng là quanh hạt nhân nguyên tử có các electron chuyển động như các hành tinh chuyển động quanh Mặt trời. Bohr cũng sử dụng mẫu hành tinh cuả nguyên tử, tuy nhiên điều mới lạ mà Bohr đưa ra dưới dạng tiên đềđề là electron chỉ có thể chuyển động quanh hạt nhân theo những quỹ đạo nhất định gọi là quỹ đạo dừng. Là hạt mang điện nhưng khi chuyển động trên quỹ đạo dừng, electron không phát ra sóng điện mà năng lượng của electron luôn ở một mức nhất định. Einstein đã phát triển ý tưởng này để giải thích hiệu ứng quang điện như sau: khi nào nhận được năng lượng ở bên ngoài kích thích thì electron mới có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Ngược lại từ mức năng lượng cao nhảy xuống mức năng lượng thấp thì electron phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ. Về sau cơ học lượng tử phát triển người ta tính toán được rất cụ thể các mức năng lượng của nguyên tử có nhiều electron và chỉ ra được các kích thích cho eletron từ mức năng lượng thấp nhảy lên mức năng lượng cao để khi từ mức năng lượng cao nhảy xuống năng lượng thấp, electron phát ra sóng điện từ có tần số nhất định, tính toán được trước. Cụ thể người ta đã tính toán cách kích thích nguyên tử Cesium 133 để làm đồng hồ nguyên tử như sau: Nguyên tử Cesium - 133 có 55 electron ở bên ngoài, hạt nhân bên trong có 55 proton và 133 - 55 = 78 nơtron. Tương ứng với các vị trí của electron ở xa hạt nhân nhất, người ta chú ý hai mức năng lượng của eletron, một mức thấp, một mức cao hơn một chút. Nếu dùng sóng điện từ có tần số f = 9192631770 Hz chiếu vào nguyên tử cesium thì kích thích được eletron từ mức thấp lên mức cao. Khi eletron đã được kích lên mức cao, có thể điều khiển hoặc để tự động cho eletron nhảy về mức thấp khi phát ra sóng điện từ có tần số f đúng bằng 9192631770 Hz.

Tần số f của sóng điện từ phát ra này rất chính xác, chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của nguyên tử, không phụ thuộc bên ngoài. Vì vậy người ta tìm cách kích thích các nguyên tử cesium liên tục phát ra sóng điện từ bố trí để đếm số chu kỳ của sóng điện từ phát ra đó (tức là đo tần số), cứ đếm được 9192631770 chu kỳ thi 1 giây đã trôi qua. Đó là nguyên tắc hoạt động của hồ nguyên tử cesium.

2. Cấu tạo của đồng hồ nguyên tử

Nguyên tử hoạt động của đồng hồ nguyên tử kiểu phun nước L tia laser làm lạnh các nguyên tử cesium, ngưng tụ lại thành viên bi.

Năm 1952 các nhà khoa học đã làm ra được chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên theo cách hơ nóng kim loại cesium cho hơi nguyên tử thoát ra bay lên. Người ta dùng từ trường để tách riêng các nguyên tử mà eletron của chúng có năng lượng ở mức thấp để dẫn riêng các nguyên tử này vào một buồng rồi chiếu vào buồng sóng điện từ có tần số bằng 9192631770 Hz. Sóng điện từ này làm cho rất nhiều eletron hấp thụ để từ mức thấp lên mức cao. Khi điều khiển cho chúng nhảy về mức thấp, sẽ có sóng điện từ phát ra với tần số 9192631770 Hz. Kèm theo bộ phận liên tục phát ra sóng điện từ này là các máy móc điện tử đo đếm chu kỳ, tần số, tất cả chiếm một thể tích mấy gian phòng. Những chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên có cấu tạo tương tự như vậy, đó là vào thời kỳ chưa có laser.

Từ khi có laser, người ta lợi dụng laser là một chùm hạt photon đồng bộ cực mạnh, dùng laser như chùm hạt bắn vào các nguyên tử, đẩy các nguyên tử lại gần nhau, làm lạnh cho các nguyên tử ngung tụ lại như giọt nước, đẩy cho các giọt nước nguyên tử đó phun lên rơi xuống… Nhờ có laser, người ta đã làm đồng hồ nguyên tử kiểu phun nước (fountainlike) mà hiện nay chuẩn nhất trên thế giới là đồng hồ nguyên tử NIST - F1 đặt ở Viện khoa học và kỹ thuật quốc gia NIST (National Institute of Sciênc and Technology) ở Boulder Colorado ở Mỹ. Đây là đồng hồ nguyên tử chính dùng để xác định giờ quốc tế UTC (Coordinated Universel Time).

Về nguyên tắc đây cũng là đồng hồ nguyên tử cesium nhưng áp dụng những kỹ thuật mới đặc biệt là laser để chế tạo. Trước hết người ta cho hơi các nguyên tử cesium vào trong một buồng chân không. Sau chùm tia laser hồng ngoại chiếu vuông góc với nhau đi thẳng vào buồng. Các tia laser đẩy các nguyên tử cesium lại gần nhau, làm hco chúng co cụm lại như một hòn bi nhỏ. Cũng nhờ quá trình này các nguyên tử cesium lạnh đi, gần như ở nhiệt độ không tuyệt đối -237 ⁰C (làm lạnh laser) hòn bi như là giọt nước nguyên tử. Người ta bố trí hai laser theo chiều thẳng đứng để đẩy hòn bi gồm các nguyên tử cesium lạnh tung lên cao độ 1 mét, bay vào buồng có sóng điện từ thích hợp kích thích rồi tắt tia laser. Do trọng trường tác dụng hòn bi lại rơi xuống thấp như cũ để rồi tia laser lại tung lên. Thưòi giai tung lên rơi xuống độ 1 giây, cứ thế tiếp tục. Khi hòn bi ở vùng có sóng điện từ kích thích, không phải tất cả nhưng có nhiều nguyên tử cesim mà eletron của chúng nhảy từ mức thấp lên mức cao. Cuối quá trình này người ta dùng một chùm laser khác chiếu vào hòn bi, tia laser này tạo ra sự hưởng ứng làm cho các eletron của các nguyên tử cesium của hòn bi đang mức cao nhảy về mức thấp, phát ra sóng điện từ có tần số đúng bằng 9192631770 Hz đó là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử cesium.

Đồng hồ nguyên tử kiểu phun nước (mặt trước và mặt sau).

Lại có xu hướng làm đồng hồ nguyên tử nhỏ di động được, thậm chí đeo tay được. Đồng hồ nguyên tử có ích lợi trong đời sống hàng ngày của chúng ta như thế nào? Chúng ta sẽ thấy rằng vì có đồng hồ nguyên tử nên định nghĩa về giây trong ba đơn vị cơ bản MKS (mét, kilogam, giây) đã thay đổi từ năm 1967 và nếu không có đồng hồ nguyên tử một câu hỏi đơn giản “bây giờ là mấy giờ rồi” chưa thể có câu trả lời chính xác, cũng như các lĩnh vực phân phối điện, viễn thông, giao thông trên toàn thế giới sẽ gặp khó khăn như thế nào. Trong kỳ sau chúng ta sẽ đề cập đến vấn đề này.