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Orologio atomico: l'orologio più preciso al mondo

 10 maggio 2016
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 Categoria: Tecnologia
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 Scritto da: admin
ora esatta orologio atomico

L'orologio atomico non perde un secondo nemmeno in 20 milioni di anni, non ha ingranaggi e funziona grazie a nuvole di atomi. Esso stabilisce ufficialmente per tutta l’umanità la misura esatta del tempo.


E' l'orologio più preciso al mondo ma non può segnare le ore perché il NIST F-1 è un orologio atomico e il suo compito è quello di fornire l'ora esatta mediante l’unità di tempo chiamata "secondo". Si trova nel laboratorio del dipartimento Time and Frequency del National Institute of Standards and Technology (NIST) statunitense di Boulder, in Colorado. E’ costato 650mila dollari ed è stato completato l'anno scorso.


La perfezione dell'orologio atomico è tale che non perderà o guadagnerà un secondo nemmeno tra 20 milioni di anni. Non ha lancette né rotelline, ma raggi laser, specchi e nubi di atomi di cesio, un metallo piuttosto raro utilizzato in prevalenza per alcune leghe speciali.


Per stabilire l'ora esatta si misura la durata di un secondo. A tal scopo si interragono gli atomi, rimanendo così completamente svincolati dai fenomeni astronomici sui quali l’umanità ha da sempre misurato il passare del tempo.



Orologio atomico: cosa è e quali sono le sue origini?


Le origini dell'orologio atomico risalgono al 1956, anno in cui l'ora esatta e di conseguenza la durata del secondo era calcolata in base alla rotazione terrestre: il secondo era definito come la 86.400esima parte del giorno solare medio.


Ma la Terra è un soggetto inaffidabile per stabilire l'ora esatta poiché per girare su se stessa, infatti, è tutt’altro che costante: il nostro pianeta oscilla e alle volte il movimento di trottola attorno al Sole mostra lievi cicli irregolari. Tutti questi fenomeni influiscono sulla rotazione terrestre e quindi sulla durata del giorno.


Così, dopo aver adottato per pochi anni un'altra definizione basata sulla lunghezza dell’anno anziché del giorno, si arriva al 1967, anno in cui la durata del secondo e quindi la determinazione dell'ora esatta non dipende più dalla rotazione della Terra ma dagli atomi, da qui deriva il nome di orologio atomico.



Come funziona l'orologio atomico per misurare l'ora esatta


In pratica, l'orologio atomico si sfrutta la capacità degli atomi di emettere onde elettromagnetiche. In condizioni particolari, intatti, è possibile inondare di energia un atomo, che così si mette a vibrare, un po' come una corda di chitarra vibra dopo averla pizzicata. E mentre gli atomi oscillano, l'energia acquistata in precedenza viene restituita sotto forma di onda elettromagnetica, la cui frequenza (espressa in hertz) è pari al numero di oscillazioni contenute in un secondo: in tal modo l'orologio atomico determina l'ora esatta.



Orologio atomico basato sull'ammoniaca: origini e funzionamento


Il primo orologio atomico basato sull'ammoniaca venne realizzato nel 1949 dal fisico americano Harold Lyons e sfruttava la vibrazioni delle molecole di ammoniaca.


Per spiegare il funzionamento di questa tipologia di orologio atomico bisogna considerare che le molecole di ammoniaca sono formate da un atomo di azoto e tre di idrogeno e hanno una forma regolare: ricordano una piramide con base triangolare.


Investita da una doccia di microonde, la molecola di ammoniaca ne assorbe l'energia, che viene poi restituita non appena la molecola inizia a vibrare. Se potessimo osservarla, infatti, vedremmo l'atomo di azoto spostarsi avanti e indietro come uno yo-yo, che attraversi la base della piramide, la cui punta sembrerebbe così invertirsi continuamente. Queste vibrazioni sono rapidissime: in un secondo ne avvengono 24 miliardi. E 24 miliardi di hertz è la frequenza dell'onda elettromagnetica emessa dalla molecola di ammoniaca. In questo modo il secondo può essere definito come il tempo necessario alla molecola di ammoniaca per vibrare 24 miliardi di volte.


A partire dal 1955, l'ammoniaca viene sostituita dal cesio 133. Il principio è sempre lo stesso: inzuppare gli atomi di energia per poi calcolare la frequenza delle onde emesse.



Orologio atomico al cesio: cosa è?


Il 1999 è l'anno dell'orologio atomico al cesio NIST F-1, tre volte più preciso del suo predecessore per determinare l'ora esatta, e chiamato anche orologio atomico a fontana perché gli atomi di cesio vengono sollevati verso l'alto proprio come un getto d'acqua verticale. Questo movimento ha permesso di raggiungere maggiore precisione nel calcolo della frequenza.



Funzionamento dell'orologio atomico al cesio


Il tutto inizia da un gas formato da atomi di cesio, che viene introdotto nella camera a vuoto dell'orologio. Sei fasci laser a raggi infrarossi vengono puntati siu questo gas, che in tal modo assumerà la forma di una sfera. Dato che durante questo processo i laser rallentano il movimento degli atomi, la temperatura del gas si abbassa, fino a sfiorare il valore dello zero assoluto (-273,15 'C). Un laser puntato verticalmente, spinge la palla gassosa verso l’alto. Durante la salita, il gas passa attraverso una cavità attraversata da microonde: il passaggio permette agli atomi di fare il pieno di energia. Sotto l'influenza della gravità la palla poi ricade verso il basso, passando di nuovo attraverso la cavità. Non appena gli atomi interagiscono di nuovo con le microonde, alcuni di essi vedranno il loro bagaglio di energia svuotato pesantemente. Un po' come se le microonde della cavità strizzassero come una spugna la palla di atomi zuppi di energia.


Stimolati dalle microonde, infatti, gli atomi di cesio iniziano a vibrare emettendo onde elettromagnetiche che hanno la stessa energia delle microonde assorbite poco prima durante il primo passaggio nella cavità. Dato che maggiore è il numero di atomi emittenti e più preciso sarà il calcolo della frequenza, il dispositivo deve fare in modo che il numero di atomi che emettono onde all'uscita della cavità sia massimo. Per ottenere questo è necessario che le microonde inzuppino gli atomi di cesio con un'energia dotata della frequenza giusta, pari cioè a quella cosiddetta naturale del cesio.


Così la procedura viene ripetuta molte volte e per ogni spruzzo di cesio verso l'alto, viene modificata leggermente l'energia delle microonde, fino a quando queste costituiranno un bagno di energia dotato della frequenza giusta. All'uscita dalla cavità, gli atomi dei gas vengono investiti da un altro laser: questo spreme dagli atomi di cesio energia luminosa, la cui quantità sarà massima quando sarà stata raggiunta la frequenza naturale del cesio all'interno della cavità a microonde.


Determinazione dell'ora esatta attraverso il secondo


Sulla base della frequenza naturale del cesio 133, dunque, l'Ente Internazionale dei Pesi e delle Misure, situato vicino a Parigi, custodisce il documento ufficiale che stabilisce la definizione ufficiale di secondo per la determinazione dell'ora esatta: è il tempo nel quale avvengono 9.192.631.770 oscillazioni dell'atomo di cesio 133 che è come dire che la frequenza dell'onda emessa dall'atomo di cesio è di 9.192.631.770 hertz.

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