多普勒效应与原子钟的精度

1.原子钟的工作原理

原子钟是目前人类最xx的时间测量仪器，它主要是利用原子不受温度和压力影响的固定频率振荡的原理制成.

原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。因而，每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率xx相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。

将原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体振荡器到原子的主要微波谐振来实现。为了制造原子钟，原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。xx的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一xx频率。当一个原子接收到正确频率的微波能量时，能量状态将会发生相应改变。

在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。

原子钟又被人们形象的称作“喷泉钟”，因为原子钟的工作过程是铯原子像喷泉一样的“升降”。这一运动使得频率的计算更加xx。原子钟工作的整个过程可以分割为四个阶段：
　　{dy}阶段：
　 由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用6束相互垂直的xxxxx（黄线）照射原子气，使之相互靠近而呈球状，同时激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近{jd1}零度。
　  第二阶段：
　　两束垂直的激光轻轻地将这个原子气球向上举起，形成“喷泉”式的运动，然后关闭所有的激光器。这个很小的推力将使原子气球向上举起约一米高，穿过一个充满微波的微波腔，这时原子从微波中吸收了足够能量。原子气被引入到真空室中后，气体的温度降低，接近于{jd1}零度，并且呈现圆球状气体云。

第三阶段：
　　在地心引力的作用下，原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出，同时微波部分地改变了原子的原子状态。当在微波腔中发生状态改变的原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。同时，一个探测器对这一荧光柱进行测量。整个过程被多次重复，直到达到出现{zd0}数目的原子荧光柱。这一点定义了用来确定秒的铯原子的xx共振频率。
    第四阶段：
　  在微波腔的出口处，另一束激光射向原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。

2.影响原子钟精度的因素：

<1>原子组成的气体的温度。<2>xxxxx的强度和亮度。<3>推力的大小。<4>真空室的真空程度。<5>探测器的灵敏度。<6>气体的多普勒效应。<7>合适的能量状态原子的磁场。

3.气体的多普勒效应对原子钟精度的影响及解决途径：

原子气被引入到真空室中后，气体的温度降低，接近于{jd1}零度，并且呈现圆球状气体云。 当气体电流密度较大时，产生大量带电，它们对发光原子产生较强的内部电场，引起谱线斯塔克分裂；离子与发光原子的距离不同，谱线分裂的大小不同，叠加的结果导致谱线增宽。同理，在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出来。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与激光束再次发生作用时就会放射出光能。导致气体大量放电，产生大量带电，它们对发光原子产生较强的内部电场，引起谱线斯塔克分裂，所以用一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量时，将得不到准确的测量结果。

为了解决这个问题，我们可以从激光强度和温度入手，在第二个阶段，我们应该采用适当强度的激光束，从而使得原子气吸收适当的能量，如此可以使气体电流密度合适，不会引起或降低谱线斯塔克分裂。同样在第二阶段中，原子气被引入到真空室中后，气体的温度降低，接近于{jd1}零度，并且呈现圆球状气体云。因此我们必须把握好铯原子气的温度处理。总之,在合适的激光强度和温度下，原子钟的精度会大大提高。