强推被分享过无数次的《奇妙的发明》，值得反复读！(2)

在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最有规律，所以很自然地自古以来人们就以地球自转周期作为时间的量度基准，这就是所谓的太阳日。最初秒的定义就是1秒＝1/86400平均太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义在1900年地球绕太阳沿轨道运行一周所需时间的1/31556925.9747。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。
然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展，1967年第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯133原子基态的两超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。”
这么精确的数据是从哪里来的？应该说：这是原子物理学工作者长期研究的成果，是40年代、50年代发明原子钟的重大收获。
大家知道，对于一个周期性系统来说，其周期与频率是互为倒数的。以周期作为时间计量单位实际上就是以频率作为计算时间的依据。原子在能量差为ΔE的两个能级之间跃迁时，将会放出或吸收电磁波，其频率ν＝ΔE/h(h即普朗克常数)。如果能够控制原子只在某两个特定能级之间跃迁，就有可能获得与之相对应的特定跃迁频率。如果这一频率非常稳定，就有可能被选定充当原子频率标准。
我们从光谱仪就可以测出原子光谱每一根谱线的频率，不过，原子光谱的谱线往往不是一根线，而是由若干更细的线组成。只要光谱仪的分辨率提高就可以观察到，这叫做光谱的精细结构。实际上精细结构还可以再分解，如果有分辨率更高的光谱仪，特别是在磁场的作用下，可以进一步观察到精细结构里还有更精细的结构，这叫做超精细结构。原子光谱的超精细结构早在1928年就有人观察到了。实验表明，基态的超精细结构跃迁频率不易受外界磁场的影响，相当稳定，以之作为频率标准是适宜的。
早在1940年，美国物理学家拉比就预见到铯133的超精细结构有可能作为频率计量的基准。铯133有三个特点：一是超精细结构的裂距量大，达9.2GHz，测量的精确度也很高，可达10－5。二是碱金属原子结构都很简单，属于单电子原子，和氢原子有类似性质，原子光谱的规律最明显，而铯是碱金属稳定元素中最重要的一员，原子质量大，则多谱勒频移小，谱线宽度随之减小，因此可得更高的精确度。三是铯在自然界中仅有一种同位素，即铯133(133Cs)，这是最有利的条件。所以拉比首选铯作为原子钟的工作物质。