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◎    原子鐘是利用原子內的電子振動，做為計時標準，也是目前最精確的計時方法

◎    銫原子鐘
利用銫-133　原子的某一固定振蕩，所做成的國際標準計時器。由於所有的銫原子都是一樣的，因此利用銫原子的特性所製成的計時器，也就具有高度的可靠性與複製性。目前最先進的銫原子鐘技術，例如美國的國家標準與技術署（NIST，National Institute of Standards and Technology）的 NIST-F1 銫原子鐘，已經可以做到 的精準度，也就是說，大約二千萬年才有一秒的誤差。

根據量子物理學原理，當原子從一種能量狀態躍遷到較低的能量狀態時，它會釋放電磁波。同一種原子產生的電磁波的共振頻率是一定的，如銫133原子，它的共振頻率就為每秒9192631770周，精確的時間間隔即可由此確定。

根據銫原子的振蕩頻率定義了秒的長度，那就是:銫133原子基態的兩個超精細能量級間躍遷輻射振蕩9192631770周所持續的時間為1秒

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◎銫-133 原子基態的兩個精細分裂能階
銫-133 原子的原子核是由 55 個質子，和 78 個中子結合而成，外圍則有 55 個電子繞著原子核運動。根據量子力學原理，銫原子只能有分立、不連續的能量狀態，而這些能階則是由原子核外圍電子的運行軌域所決定。由於銫-133 原子的所有電子，除了最外圍的電子之外，都被原子核的電磁力所束縛，處於相對穩定的狀態。

當原子最外圍的電子的運動處於基態（ground state）時，並不易受到原子內其他電子的干擾，只受到除了原子核的電磁庫侖力和微弱的原子核自旋的影響。然而這些微弱的原子核自旋作用，能把基態的能量再細細地分裂成兩個幾乎擁有相同能量的能階，稱之為超精細能階（hyper-fine energy levels）。當電子吸收或放出的光子能量符合這兩個精細能階的能量差時，電子就可以在這兩個超精細能階躍遷，進而改變了整個原子的自旋狀態。

◎傳統銫原子鐘：
傳統銫原子鐘是藉由銫原子與微波相互作用形成共振吸收，以探測銫原子躍遷能量所對應的頻率而達到實現秒定義之目的。其方法是利用外加磁場將銫原子的兩個基態超精細能階分離出來：將處在單一能態的銫原子經過微波共振腔振蕩場與微波作用後，一部分銫原子即躍遷至較高能階，銫原子躍遷至此一能階的比例即可代表微波場微波頻率與銫原子共振頻率的重疊程度，微波頻率若能與銫原子共振頻率完全一致，則這時的微波頻率就可以用來實現秒的定義。

室溫下呈液態的銫金屬在加熱後蒸發，受熱後的銫原子，將會以約 250 m/s 速率注入真空管內，此時處在 F＝3 基態的銫原子會通過 A 磁鐵，進入真空的微波共振腔。基態的銫原子在通過此真空通道時，將會吸收適當頻率的微波，而躍遷到 F＝4 的超精細基態。

最後當銫-133 原子到達通道的另一端時，B 磁鐵會選擇讓能階 F＝4 的銫原子通過，而到達原子偵測器。所以，當原子偵測器所測得的訊號最大時，表示微波共振腔裡的微波，已經調整到可以使基態銫原子躍遷的頻率，也就是 9,192,631,770 Hz。

噴泉式銫原子鐘：
西元 1993 年到 1999 年美國 NIST 是利用銫原子束原子鐘作為時間量測的標準，但從西元 2000 年開始，NIST 改為採用 X 雷射冷卻技術的噴泉式銫原子鐘。
噴泉式銫原子鐘是以雷射致冷之銫原子團為基礎，將冷原子向上發射形成噴泉狀而得名。其工作過程是將銫原子像噴泉一樣的「升降」。這一運動使得頻率的計算更加精確。在冷原子團的運動路徑上放置微波共振腔，目的在取出銫原子與微波共振訊號作為鎖頻之用。在噴泉式銫原子鐘中，低溫造成銫原子的運動速度極慢，而與微波的作用時間拉長，故訊號的解析度比傳統的銫原子鐘好 100 倍以上。右圖為噴泉式銫原子鐘工作過程的示意圖。這個過程主要可分為四個階段：

（1）　6　束近紅外線雷射光（圖中黃線）以適當的角度打向銫原子，把這些銫原子的熱運動減慢並將銫原子聚集成球狀，此時銫原子團的溫度會下降到接近絕對零度。

（2）銫原子被冷卻後，兩束垂直的激光將銫原子向上舉起，形成「噴泉」式的運動，然後關閉所有的激光器。這個很小的推力將使銫原子向上舉起約1公尺高，穿過微波共振腔，這時銫原子吸收了微波的部分能量。

（3）此時將雷射光關掉，原子受到重力的作用，會向下再度通過微波共振腔，並將所吸收的能量全部釋放出來。

（4）如果微波共振腔內的微波頻率，正好可以使基態銫原子得以在兩個超精細能階之間躍遷時，則當銫原子一上一下通過微波共振腔時，有些銫原子會因躍遷而改變原子的能量態。最後再把雷射光打到這些處於受激態的銫原子，以激發這些銫原子放出光子而回到基態能階。調整微波共振腔內的微波頻率，使銫原子偵測器量測的訊號達最大值，此時的微波能量即為銫原子能階差。

上述過程在多次重複進行後，將每一次微波共振腔中的共振頻率取平均值，而得到一個確定頻率的微波，使大部分銫原子的能量狀態發生相應改變。這個頻率就是銫原子的天然共振頻率，或確定秒長的頻率。當在微波共振腔中發生能態改變的銫原子與雷射光束再次發生作用時會放出光能。

銫原子鐘運作原理藉由銫原子與微波相互作用可實現秒的意義

銫原子鐘的工作原理
每一個原子都有自己的特徵振動頻率。人們最熟悉的振動頻率現象就是當食鹽被噴灑到火焰上時食鹽中的元素鈉所發出的桔紅色的光。一個原子具有多種振動頻率，一些位於無線電波波段，一些位於可見光波段，而另一些則處在兩者之間。銫133則被普遍地選用作原子鐘。

將銫原子共振子置於原子鐘內，需要測量其中一種的躍遷頻率。通常是採用鎖定晶體振蕩器到銫原子的主要微波諧振來實現。這一信號處於無線電的微波頻譜範圍內，並恰巧與廣播衛星的發射頻率相似，因此工程師們對製造這一頻譜的儀器十分在行。

為了製造原子鐘，銫原子會被加熱至汽化，並通過一個真空管。在這一過程中，首先銫原子氣要通過一個用來選擇合適的能量狀態原子的磁場，然後通過一個強烈的微波場。微波能量的頻率在一個很窄的頻率範圍內震盪，以使得在每一個循環中一些頻率點可以達到9,192,631,770Hz。精確的晶體振蕩器所產生的微波的頻率範圍已經接近於這一精確頻率。當一個銫原子接收到正確頻率的微波能量時，能量狀態將會發生相應改變。

在更遠的真空管的盡頭，另一個磁場將那些由於微波場在正確的頻率上而已經改變能量狀態的銫原子分離出來。在真空管盡頭的探測器將打擊在其上的銫原子呈比例的顯示出，並在處在正確頻率的微波場處呈現峰值。這一峰值被用來對產生的晶體振蕩器作微小的修正，並使得微波場正好處在正確的頻率。這一鎖定的頻率被9,192,631,770除，得到常見的現實世界需要的每秒一個脈衝。