Cesio secondo spiegato ai bambini 9 192 631 770

Cesio

Il secondo è utilizzato per misurare il tempo. Oltre a consentirci di conoscere l'ora del giorno, un'accurata misurazione dell'ora è fondamentale per i sistemi di navigazione satellitare, è alla base del funzionamento di Internet e facilita la marcatura temporale delle transazioni nel commercio finanziario.

Le civiltà antiche utilizzavano meridiane e obelischi per la misurazione dell'ora, che non era molto precisa ed era limitata in caso di tempo nuvoloso o di notte. Questi metodi di misurazione del tempo si basavano sulla rotazione giornaliera della Terra intorno al proprio asse. Tuttavia, questo periodo di rotazione non è abbastanza regolare da poter essere utilizzato come definizione per le applicazioni moderne.

Il secondo è definito prendendo il valore numerico fisso della frequenza del cesio ∆ν, la frequenza di transizione iperfine imperturbata allo stato fondamentale dell'atomo di cesio 133, pari a 9 192 631 770 se espressa nell'unità Hz, che è uguale a s-1. La formulazione della definizione è stata aggiornata nel 2019.

Per migliaia di anni la rotazione terrestre è stata il nostro cronometrista più stabile. Tuttavia, gli orologi al quarzo e gli orologi atomici inventati negli anni '30 e '50 sono stati dei cronometri ancora migliori e hanno dimostrato che la Terra non ruota costantemente ma "oscilla".

Cesio-133

Prima degli orologi atomici, il secondo era definito dividendo gli eventi astronomici, come il giorno solare o l'anno tropicale, in parti più piccole. La situazione è cambiata definitivamente nel 1967, quando il secondo SI è stato ridefinito come la durata di 9 192 631 770 transizioni energetiche dell'atomo di cesio. La nuova definizione significava che i secondi erano ora misurati contando le oscillazioni degli atomi, e i minuti e le ore erano ora multipli del secondo piuttosto che divisioni del giorno. I vantaggi del cronometraggio atomico per la società moderna sono stati immensi e molte tecnologie che oggi diamo per scontate, come i sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS), i telefoni cellulari e le "reti intelligenti" che forniscono la nostra energia elettrica, dipendono dalla precisione degli orologi atomici. L'anno in corso (2017) segna il 50° anniversario della prima definizione del secondo del Sistema Internazionale di Unità di Misura (SI) basata sulle transizioni atomiche. In occasione di questo anniversario, il presente documento fornisce una rassegna storica del lavoro svolto negli Stati Uniti d'America che ha contribuito alla definizione atomica del secondo SI mezzo secolo fa.

Perché il cesio viene utilizzato per definire un secondo

Il valore numerico della frequenza della radiazione che si produce quando un atomo imperturbato di cesio-133 subisce una transizione iperfine nel suo stato fondamentale è definito esattamente 9 192 631 770 quando è espresso nell'unità di misura hertz, o s-1. È indicato con il simbolo ΔνCs.

La frequenza di transizione iperfine allo stato fondamentale non perturbato dell'atomo di cesio-133, simbolo ΔνCs, ha il carattere di un parametro atomico che può essere influenzato dall'ambiente, come i campi elettromagnetici. Tuttavia, la transizione sottostante è ben compresa, stabile e rappresenta una buona scelta come transizione di riferimento per le considerazioni pratiche.

Definizione di un secondo cesio

Il cesio è il 55° elemento della tavola periodica degli elementi. Il cesio è lo standard per gli orologi atomici e fornisce la definizione di secondo! Alcune delle sue proprietà sono elencate di seguito:[2]

La nostra unità di tempo più comune, il secondo, è stata originariamente definita sulla base della rotazione terrestre; la Terra ruota intorno al suo asse una volta al giorno, e il secondo è stato definito come 1/86.400 di un giorno (solare medio).[3] A parte il fatto che esistono diverse definizioni di cosa sia un "giorno", l'uso della rotazione terrestre come definizione del tempo non è pratico a causa delle irregolarità nella frequenza della sua rotazione.

In termini più semplici, l'energia radiante, o luce, sotto forma di microonde viene emessa a una frequenza molto precisa da questa particolare transizione atomica. Osservando esattamente 9.192.631.770 periodi (o cicli) di quest'onda elettromagnetica, si dice che è passato un secondo.

Si noti che questa frequenza si verifica quando l'atomo di cesio-133 è in isolamento alla temperatura dello zero assoluto; in realtà sono necessarie delle correzioni.[3] Tuttavia, gli orologi atomici che utilizzano il cesio mantengono il tempo con una precisione di 2 o 3 parti su 1014: ciò significa che può perdere un secondo solo una volta ogni 1,4 milioni di anni![4]