الساعة الذرية atomic clock

الساعة الذرية atomic clock
هي أحد أنواع الساعات التي تعتمد تردد الرنين الذري لضبط الوقت. تعتبر الساعات الذرية ادق ساعات توقيت حتى الآن حيث يصل مقدار الخطأ ثانية كل 3 ملايين سنة تقريبا وفقا للإحصائيات الحديثة, الامر الذي جعل منها معيارا للتوقيت العالمي.
تعتمد فكرة عمل الساعات الذرية على الاشعاع الراديوي ضمن نطاق الميكرويف للذرات وليس كما يعتقد البعض على النشاط الاشعاعي. تنجم هذه الإشارات الراديوية عن تغير مستويات الطاقة في الذرة وبالتحديد عند انتقال الالكترونات من مستوى أعلى إلى مستوى ادنى. يعتبر عنصر السيزيوم من أوائل العناصر التي استعملت في الساعات الذرية حين تم الاتفاق على تعريف الثانية عام 1967 على انها الفترة اللازمة لـ9,192,631,770 ذبذبة كاملة (دورة) من الاشعاع الذي يقابل انتقال الالكترونات بين مستويين من الطاقة في ذرة السيزيوم-133. مع ان هذا التعريف قد تم الاستعاضة عنه بالتعريف الضوئي للثانية بسبب النظرية النسبية إلا أن التعريف التقليدي لا زال صحيحا كون القياسات مستخدمة في اطار المجموعة الشمسية (نفس الإطار مرجعي).
يمكن فهم الجزء المبسط في عمل الساعة الذرية كما يلي: تحتوي الساعة الذرية على فجوة معدنية تتناسب مع موجات الميكروويف, بها غاز. هذه الفجوة قابلة للضبط بدقة عالية بحيث تتناسب مع اضخم إشارة تردد ناشئة داخل الفجوة ويبدأ الرنين المتذبذب بالنمو. تستغرق هذه العملية بعض الوقت حتى تستقر عملية الرنين الترددي وتصبح الساعة الذرية جاهزة للعمل على الدوام.
في الواقع هناك تعقيدات كثيرة في تصميم دوائر التحكم في الساعة الذرية ومالشرح السابق الا تلميح بسيط لمبدأ العمل.
أشهر أنواع الساعة الذرية هي ساعة السيزيوم, ساعة الروبيديوم وهي اقل دقة من ساعة السيزيوم ولكن بالمقابل ارخص بكثير. تصل قيمة الساعة الذرية المصممة بالسيزيوم إلى آلاف الدولارات بينما يمكن للساعة الذرية المصممة من الروبيديوم ان تتوفر للشركات بمبالغ تصل إلى 200 دولار اميريكي. تطورت دقة الساعة الذرية منذ الستينات حتى اليوم, كانت الدقة حوالي 10-9 (خطأ ثانية كل 300 سنة) حتى أصبحت 10-14 (خطأ ثانية كل 3 ملايين سنة)مع بداية الالفية الثانية. أما الاحجام فما زالت كبيرة نوعا ما حيث ان اصغر الاحجام الممكنة حوالي (10سم×10سم×10سم). من ناحية أخرى, تستهلك هذه الساعات قدرة لاتتجاوز المائة ميلي وات.
تستعمل الساعة الذرية في الكثير من خوادم الوقت Time Servers وهي نوعان, الأول به ساعة ذرية مستقلة (باهض الثمن) بينما الأخير يستطيع اعادة ضبط الوقت عبر اقمار الجي بي اس الصناعية GPS. كما أنها تستعمل في التطبيقات التي تتطلب مقاييس زمنية غاية في الدقة مثل اقمار تحديد الاحذاثيات GPS, الاتصالات السلكية واللاسلكية والشبكات الضوئية.