Kenapa Ahli-ahli sains Membina Jam Nuklear? Kerana Atom Jam Tidak Sempurna

Tugas membina jam yang tepat menyimpan masa adalah sama sekali tidak seperti kerja jam. Jam biasa membantu kami melayani dengan baik untuk keperluan praktikal sehari-hari, tetapi penyelidikan saintifik dan teknologi berdasarkan pengukuran sensitif memerlukan jam yang mampu mengukur peredaran masa dengan tepat. Oleh itu, para saintis mencipta jam atom - dan ketika mereka lebih tepat pada waktu yang berharga daripada sistem konvensional, terdapat ruang yang cukup untuk penambahbaikan. Sekarang, saintis bergerak dari dunia atom ke nuklear. Satu kajian baru yang diterbitkan di Malaysia Alam menunjukkan bahawa ahli fizik Jerman telah membangunkan jam tangan yang mampu kehilangan kurang daripada sepersepuluh kali setiap 20 bilion tahun. Itulah - bergantung kepada bagaimana anda melihatnya - 10 kali lebih baik daripada teknologi atom semasa

Tetapi sebelum kita menggelapkan jam atom usang, mari kita pertimbangkan apa yang menjadikannya berbeza dari nenek moyang pendulum.

Setiap jam menggunakan resonator untuk menjejaki masa. Resonator adalah satu mekanisme yang, demi pemudahan, "kutu" secara tetap. Jam lama menggunakan pendulum dan gear sebagai resonator. Jam digital menggunakan ayunan pada garis kuasa atau kristal kuarza sebagai resonator. Jam atom mengambil idea ini beberapa langkah ke hadapan dengan menggunakan frekuensi resonans atom sendiri sebagai resonator. Dalam sistem ini, resonator dikawal oleh radiasi elektromagnet yang dipancarkan oleh peralihan kuantum atom. Dengan kata lain, jam atom menjejaki masa dengan mengukur perubahan energik dalam zarah atom.

Untuk beberapa elemen dan isotop mereka, ini berlaku pada frekuensi yang konsisten. Sebagai contoh, Cesium-133 berayun pada 9.192.631.770 kitaran sesaat. Itulah sebabnya ia digunakan untuk membina jam atom pertama di Makmal Fizikal Kebangsaan di UK, pada tahun 1955.

Sejak itu, beberapa kemajuan teknologi telah membawa kepada jam atom yang lebih tepat - termasuk penyejukan laser dan perangkap atom, spektroskopi laser yang lebih tepat, dan memikirkan elemen isotop yang lain yang mempamerkan frekuensi resonan yang lebih konsisten. Pemegang rekod semasa untuk jam atom yang paling tepat membaca bacaan pada ion ytterbium.

Alasan jam atom sangat kritikal ada kaitannya dengan fakta bahawa jam mengukur masa secara berbeza pada ketinggian yang berbeza. Lebih jauh jam adalah dari sumber utama graviti, masa lebih cepat berlalu (iaitu jam akan berjalan lebih cepat di Gunung Everest daripada di paras laut). Perbezaannya kelihatannya kecil, tetapi boleh menambah masa berlalu.

Begitu banyak teknologi kami hari ini beroperasi sebagai aplikasi global, seperti GPS. Untuk memastikan mereka berjalan pada masa yang sama tidak kira di mana seseorang berada, mereka harus terikat secara langsung ke jam yang tepat. Tidak ada cara yang lebih baik untuk memastikan daripada menggunakan jam atom sebagai standard. Dalam kajian terbaru, pasukan penyelidik Jerman menggariskan idea untuk mengukur secara langsung ayunan atom nukleus itu sendiri (berbanding dengan elektron yang mengelilingi nukleus). Jam atom berdasarkan reka bentuk ini boleh mengelakkan daripada dipengaruhi oleh kuasa luaran. Pasukan penyelidikan mengenal pasti keadaan pengujaan di isotop torium, Th-229m, yang boleh berfungsi - dan menggambarkan penemuan eksperimen yang menyokong idea ini.

Terdapat satu masalah: Th-229m tidak berlaku secara semulajadi. Walaupun keputusan kajian baru itu begitu mengagumkan, tidak jelas bagaimana para peneliti dapat menuai cukup Th-229m untuk membina dan menyelenggarakan jam nuklear. Para penyelidik memperoleh Th-229m dalam kes ini dengan menggunakan uranium-233 sebagai sumber. Ini bukan proses yang mudah.

Sekiranya para saintis memikirkan cara menyelesaikan masalah kecil itu dan menghasilkan jumlah Th-229m yang mampan, kita melihat generasi baru jam atom yang pasti akan memainkan peranan penting ketika kita membina lebih banyak teknologi yang merangkumi dunia dan melayani orang di setiap penjuru dunia.